熱處理就是將鋼在固態(tài)下通過(guò)加熱、保溫和不同的冷卻方式，改變金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的操作工藝，
作用:它不改變工件的形狀和尺寸，只改變工件的性能，如提高材料的強(qiáng)度和硬度，增加耐磨性，或者改善材料的塑性、韌性和加工性等。
第一節(jié) 熱處理的基本原理
一、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變
(一)鋼在加熱和冷卻時(shí)的相變溫度
鐵碳合金相圖中的A1、A3和Acm 線是反映不同含碳量的鋼在極為緩慢加熱或冷卻時(shí)的相變溫度。但鋼在實(shí)際加熱和冷卻時(shí)不可能非常緩慢，因此，鋼中的相轉(zhuǎn)變不能完全按鐵碳合金相圖中的A1、A3和Acm線，而有一定的滯后現(xiàn)象，即出現(xiàn)過(guò)熱(加熱時(shí))或過(guò)冷(冷卻時(shí))現(xiàn)象。加熱或冷卻時(shí)的速度越大， 組織轉(zhuǎn)變偏離平衡臨界點(diǎn)的程度也越大。為區(qū)別起見(jiàn)，把冷卻時(shí)的臨界點(diǎn)記作Ar1、 Ar3 、Arcm；加熱時(shí)的臨界點(diǎn)記作Ac1、A1c3、Accm。
例如，共析鋼在平衡狀態(tài)下珠光體和奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度為A1；冷卻時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的溫度為Ar1； 加熱時(shí)珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度為Ac1。 這些臨界點(diǎn)是正確選擇鋼在熱處理時(shí)的加熱溫度和冷卻時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的溫度的主要依據(jù)。
(二)奧氏體的形成
共析鋼在常溫時(shí)具有珠光體組織，加熱到Ac1以上溫度時(shí)， 珠光體開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。只有使鋼呈奧氏體狀態(tài)，才能通過(guò)不同的冷卻方式轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織，從而獲得所需要的性能。鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變，主要包括奧氏體的形成和晶粒長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程。
在鐵素體和滲碳體的相界面上首先出現(xiàn)許多奧氏體晶核。這是因?yàn)殍F素體與滲碳體是兩個(gè)具有不同晶體結(jié)構(gòu)的相，在二相界面上有晶格扭曲或原子排列紊亂等缺陷，原子處于高能量狀態(tài)，有利于奧氏體核形成。
奧氏體晶核形成后，便開(kāi)始長(zhǎng)大。它是依靠鐵素體向奧氏體繼續(xù)轉(zhuǎn)變和滲碳體不斷溶入而進(jìn)行的。鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的速度比滲碳體溶解快，因此，鐵素體消失后，仍有部分殘余滲碳體，它將隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，繼續(xù)不斷地向奧氏體溶解直至全部消失。在剛形成的奧氏體晶粒中，由于原是滲碳體層地方的碳濃度高于原是鐵素體層地方的碳濃度，必須繼續(xù)保溫通過(guò)碳原子擴(kuò)散才能獲得均勻的奧氏體組織。
亞共析鋼與過(guò)共析鋼加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變過(guò)程與共析鋼相似，其差別在于：當(dāng)亞共析鋼被加熱到Ac1~Ac3之間溫度時(shí)，尚有一部分未溶的鐵素體存在。過(guò)共析鋼被加熱到Ac1~Accm之間溫度時(shí)， 尚有一部分未溶的二次滲碳體存在，即不完全奧氏體化。只有進(jìn)一步加熱到Ac3或Accm以上并保溫一定時(shí)間， 才能獲得單一奧氏體組織。由此可見(jiàn)，保溫不僅是為了使工件熱透，即工件心部達(dá)到與表面同樣的溫度，還為了獲得均勻一致的奧氏體組織，以便在冷卻時(shí)得到良好的組織和性能。
(三)奧氏體晶粒的長(zhǎng)大
由于珠光體層比較細(xì)密，在向奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)形成的晶粒較多，因此，當(dāng)珠光體剛?cè)哭D(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時(shí)，奧氏體晶粒還是很細(xì)小的。這和加熱前珠光體晶粒的大小無(wú)關(guān)。此時(shí)將奧氏體冷卻后得到的組織晶粒也細(xì)小。如果在形成奧氏體后繼續(xù)升溫或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，都會(huì)使奧氏體晶粒逐漸長(zhǎng)大。晶粒的長(zhǎng)大是依靠較大晶粒吞并較小晶粒和晶界遷移的方式進(jìn)行的。此時(shí)將奧氏體冷卻后得到的組織必然是粗大的。
二、鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變
實(shí)際生產(chǎn)中，鋼的熱處理工藝有兩種冷卻方式：
一是等溫冷卻——將加熱到奧氏體的鋼迅速冷卻到臨界溫度以下的某一溫度保溫，進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變，然后再冷到室溫，如等溫退火、等溫淬火等。
二是連續(xù)冷卻——將加熱到奧氏體的鋼，在溫度連續(xù)下降的過(guò)程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，如水冷、空冷、爐冷等，如圖19-6所示。
等溫冷卻方式對(duì)研究冷卻過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變較為方便。現(xiàn)以共析鋼為例分析奧氏體在等溫冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變。
(一)過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線
圖19-7為共析鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖，又稱(chēng)C曲線曲線。在等溫轉(zhuǎn)變開(kāi)始線的左邊為過(guò)冷奧氏體區(qū)，處于尚未轉(zhuǎn)變而準(zhǔn)備轉(zhuǎn)變階段，這段時(shí)間稱(chēng)為“孕育期”。在不同等溫溫度下，孕育期的長(zhǎng)短不同。對(duì)共析鋼來(lái)講，過(guò)冷奧氏體在等溫轉(zhuǎn)變的“鼻尖”(約550℃)附近等溫時(shí)，孕育期最短， 即說(shuō)明過(guò)冷奧氏體最不穩(wěn)定，易分解，轉(zhuǎn)變速度最快。 在高于或低于550℃時(shí)，孕育期由短變長(zhǎng)，即過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性增加，轉(zhuǎn)變速度較慢。轉(zhuǎn)變終了線右邊為轉(zhuǎn)變結(jié)束區(qū)，兩條C曲線之間為轉(zhuǎn)變過(guò)渡區(qū)。 在C曲線下面還有兩條水平線：一條是馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變線Ms， 一條是馬氏體轉(zhuǎn)變終了線Mf，在兩條水平線之間為馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。
(二)過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織及性能
根據(jù)共析鋼過(guò)冷奧氏體在不同溫度區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和性能的不同，可分為高溫、中溫及低溫轉(zhuǎn)變區(qū)，即珠光體型、貝氏體型和馬氏體型的轉(zhuǎn)變。
1、 高溫等溫轉(zhuǎn)變區(qū)——珠光體型轉(zhuǎn)變
共析鋼的過(guò)冷奧氏體在Ar1 ～550℃(鼻溫)溫度范圍內(nèi)，將發(fā)生奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變。由于轉(zhuǎn)變溫度較高,原子有足夠的擴(kuò)散能力，能全部等溫分解，最終形成鐵素體+滲碳體組成的機(jī)械混合物，即珠光體型組織。在此溫度范圍內(nèi)，由于過(guò)冷度不同，所得到珠光體的層片厚薄、性能也有不同。為區(qū)別起見(jiàn)分為以下三類(lèi)：
(1)在Ar1～650℃之間，由于過(guò)冷度較高， 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為粗片狀鐵素體+粗片狀滲碳體，即珠光體組織。
(2)在650～600℃之間，由于過(guò)冷度較大，生核較多， 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為層片較薄的鐵素體和滲碳體交替而成的珠光體，只有在高倍(1000倍左右)光學(xué)顯微鏡下才能分辨出片層。這種組織為細(xì)珠光體，也稱(chēng)為索氏體，用符號(hào)S表示
(3)在600～550℃之間，過(guò)冷度更大。轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物為層片極薄的鐵素體和滲碳體交替而成的珠光體，即使在高倍光學(xué)顯微鏡下也無(wú)法分辨出珠光體，也稱(chēng)為屈氏體，
珠光體、索氏體和屈氏體實(shí)際上都是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，僅片層粗細(xì)不同，并無(wú)本質(zhì)差異。
其力學(xué)性能主要取決于片層間距離。片層間距越小，則強(qiáng)度、硬度越高，塑性和韌性也有所改善。
2.中溫等溫轉(zhuǎn)變區(qū)——貝氏體型轉(zhuǎn)變
轉(zhuǎn)變溫度在C曲線鼻尖至Ms點(diǎn)之間，即550～230 ℃的溫度范圍。轉(zhuǎn)變特點(diǎn)是過(guò)冷度大，雖有α-Fe晶格結(jié)構(gòu)， 但由于轉(zhuǎn)變溫度較低，碳擴(kuò)散能力減弱，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物由含碳量過(guò)飽和鐵素體和微小的滲碳體混合而成。這種組織稱(chēng)為貝氏體，用符號(hào)B表示。
在貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域，根據(jù)轉(zhuǎn)變溫度不同，可分為上和下貝氏體兩種。
(1)在550～350℃之間，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物在光學(xué)顯微鏡下呈羽毛狀，如圖19-9(a)所示。鐵素體形成許多密集而互相平行的扁片，其間斷斷續(xù)續(xù)分布著滲碳體顆粒，但強(qiáng)度低，塑性差，脆性大，生產(chǎn)上很少采用。
(2)在350℃～Ms之間，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物在光學(xué)顯微鏡下呈黑色竹葉狀，如圖19-9(b)所示。鐵素體形成竹葉狀，其內(nèi)分布著極細(xì)小的滲碳體顆粒，這種組織為下貝氏體(B下,)
總之，貝氏體的碳化物不是連續(xù)分布，而是由許多細(xì)顆?；虮∑蕯嗬m(xù)分布。其次，貝氏體中的鐵素體碳濃度高于珠光體，呈過(guò)飽和固溶狀態(tài)。
與上貝氏體比較，下貝氏體有較高的硬度和強(qiáng)度，同時(shí)塑性、韌性也較好，并有高的耐磨性。因此，生產(chǎn)中常采用等溫淬火的方法來(lái)獲得下貝氏體組織。
3.低溫轉(zhuǎn)變區(qū)——馬氏體型轉(zhuǎn)變
轉(zhuǎn)變溫度在Ms及Mf之間。轉(zhuǎn)變特點(diǎn)是：過(guò)冷度極大，轉(zhuǎn)變溫度很低，碳原子和鐵原子的動(dòng)能很小，都不能擴(kuò)散。所以，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，只發(fā)生γ-Fe→α-Fe的晶格改組，即鐵原子作短距離的移動(dòng)，而無(wú)碳原子的擴(kuò)散，全部被迫過(guò)量地固溶在α-Fe 晶格中。碳在α-Fe中的溶解度很小，常溫只有0.008?，從而形成一種過(guò)飽和的固溶組織。這種碳在α-Fe中的過(guò)飽和固溶體稱(chēng)為馬氏體，用符號(hào)M表示。，熱處理中的淬火就是為了得到這種組織。
共析鋼奧氏體過(guò)冷到230℃(Ms)時(shí)，開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體， 隨著溫度下降，馬氏體逐漸增多，過(guò)冷奧氏體不斷減少，直至-50℃(Mf)時(shí)，過(guò)冷奧氏體才全部轉(zhuǎn)變成馬氏體。所以Ms與Mf 之間的組織為馬氏體和殘余奧氏體。
三、等溫轉(zhuǎn)變曲線在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變中的應(yīng)用
在熱處理生產(chǎn)中，通常采用連續(xù)冷卻的方式，如爐冷、空冷、水冷等。因?yàn)檫B續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線測(cè)定較難，生產(chǎn)中常用等溫轉(zhuǎn)變曲線定性地估計(jì)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變，即將連續(xù)冷卻時(shí)的冷卻速度線畫(huà)在等溫曲線圖上。
根據(jù)冷卻速度線和等溫曲線相交位置，大致可估計(jì)出產(chǎn)物可能得到的組織和性能，對(duì)制定熱處理工藝有重要意義。圖19-11為共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線圖上，估計(jì)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的情況。
圖中V1<V2<V3<V4，它們分別表示不同冷卻速度的冷卻曲線。
V1——相當(dāng)于爐冷(退火)情況。它與C曲線相交于700～650℃，估計(jì)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為粗片狀珠光體。
V2——相當(dāng)于空冷(正火)情況。它與C曲線相交于650～600℃，估計(jì)轉(zhuǎn)變后產(chǎn)物為細(xì)片狀珠光體，即索氏體。
V3——相當(dāng)于油冷(淬火)情況，它只與C 曲線開(kāi)始轉(zhuǎn)變線相交于鼻尖附近，隨后又與Ms線相交，估計(jì)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為屈氏體和馬氏體。
V4——相當(dāng)于水冷(淬火)情況，它不與C曲線相交，而直接與Ms 相交并繼續(xù)冷卻，估計(jì)它的組織為馬氏體和殘余奧氏體。
Vk(V臨)——冷卻速度曲線恰恰與C曲線相切， 這是由奧氏體直接得到馬氏體的最小冷卻速度，稱(chēng)為臨界冷卻速度。凡是大于Vk的冷卻速度都可以轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。
連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變由于是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，往往得到混合組織，如珠光體＋索氏體，屈氏體＋馬氏體等。而過(guò)冷奧氏體在等溫轉(zhuǎn)變時(shí)只轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏慕M織。
第二節(jié) 退火與正火
在工廠里各種機(jī)器零件和工具一般都要經(jīng)過(guò)如下的過(guò)程：
選原料——鍛造——預(yù)先熱處理——機(jī)械加工——最后熱處理
退火和正火經(jīng)常作為鋼的預(yù)先熱處理工序，安排在鑄造、鍛造和焊接之后或粗加工之前，以消除前一工序所造成的某些組織缺陷及內(nèi)應(yīng)力，為隨后的切削加工及熱處理作好組織準(zhǔn)備。對(duì)于某些不太重要的工件，退火和正火也可作為最終熱處理工序。
一、退火
退火是將鋼加熱到高于或低于臨界溫度，保溫一段時(shí)間后，然后緩慢冷卻(如隨爐或埋入導(dǎo)熱性能較差的介質(zhì)中)，從而獲得接近于平衡組織的一種熱處理工藝。
由于退火可獲得接近平衡狀態(tài)的組織，故與其它熱處理工藝比較，退火鋼的硬度最低，內(nèi)應(yīng)力可全部消除，可提高鋼材冷變形后的塑性，又由于退火過(guò)程中發(fā)生重結(jié)晶，故可細(xì)化晶粒，改善組織，所以退火可以達(dá)到各個(gè)不同的目的。
根據(jù)鋼的成分和退火目的不同，主要的退火工藝有：完全退火、球化退火和去應(yīng)力退火等。
1.完全退火
將亞共析鋼工件加熱到Ac3以上（30～50）℃，保溫一定時(shí)間， 然后緩慢冷卻下來(lái)的熱處理工藝稱(chēng)為完全退火，又稱(chēng)為重結(jié)晶退火。
由于奧氏體進(jìn)行全部的重結(jié)晶，故稱(chēng)為完全退火。它是應(yīng)用最廣泛的退火方法，主要用于亞共析鋼的鑄件、鍛件、熱軋件有時(shí)也用于焊件。其目的是通過(guò)重結(jié)晶使晶粒細(xì)化，均勻組織，消除應(yīng)力，降低硬度，以利于切削加工。
完全退火不能用于過(guò)共析鋼，因?yàn)榧訜岬紸ccm以上再緩慢冷卻時(shí)會(huì)析出網(wǎng)狀滲碳體，使鋼的機(jī)械性能變壞。
2.球化退火
是將過(guò)共析鋼工件加熱到Ac1以上（20～30）℃，保溫后， 以極慢的冷速通過(guò)A1，使P中的滲碳體和二次滲碳體成為球狀或粒狀， 球化退火加熱時(shí)，未完全奧氏體化，因此屬于不完全退火。
由于硬而脆的網(wǎng)狀滲碳體存在，在切削加工時(shí)，對(duì)刀具磨損很大，同時(shí)還增加了淬火時(shí)變形及開(kāi)裂的傾向。因此球化退火可使鋼中碳化物呈球狀化，以降低硬度，改善切削加工性能，并為以后的淬火做好組織準(zhǔn)備。
為了便于球化過(guò)程的進(jìn)行，對(duì)于網(wǎng)狀嚴(yán)重的過(guò)共析鋼，應(yīng)在球化退火之前進(jìn)行一次正火，以消除網(wǎng)狀滲碳體。
3.去應(yīng)力退火
如果只是單純?yōu)榱讼齼?nèi)應(yīng)力，則用去應(yīng)力退火，又稱(chēng)低溫退火，消除鑄件、鍛件、焊接件、熱軋件、冷拉件等的殘余內(nèi)應(yīng)力，以避免在使用或隨后的加工過(guò)程中產(chǎn)生變形或開(kāi)裂。
去應(yīng)力退火的加熱溫度為（500～650）℃，經(jīng)適當(dāng)保溫后，隨爐緩冷到（200～300）℃以下，最后出爐在空氣中冷卻。由此可見(jiàn)，去應(yīng)力退火是在A1以下進(jìn)行的，組織并未發(fā)生變化，主要的作用是在緩慢冷卻的過(guò)程中，使工件各部分均勻冷卻和收縮，這樣就不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力了。
二、正火
正火是將鋼加熱到Ac3(亞共析鋼)或Accm(過(guò)共析鋼)以上（30～50）℃的溫度，保溫后從爐中取出在空氣中冷卻的一種操作方法。
正火的冷卻速度較退火快些，所得到的組織較細(xì)，即珠光體組織的片層間距較小，強(qiáng)度和硬度較高。因此正火對(duì)于亞共析鋼主要是細(xì)化晶粒，均勻組織，提高機(jī)械性能，對(duì)于力學(xué)性能要求不高的普通結(jié)構(gòu)零件，正火可作為最終熱處理；對(duì)于低中碳結(jié)構(gòu)鋼，由于硬度偏低，在切削加工時(shí)易產(chǎn)生“粘刀”現(xiàn)象，增大表面粗糙度，正火的主要目的是提高硬度，改善切削加工性能，高碳鋼則應(yīng)采用退火；對(duì)于過(guò)共析鋼，由于正火冷卻速度較快，使鋼中滲碳體沿晶界析出不能形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而是呈斷續(xù)的鏈條狀分布，有利于球化退火，為淬火作組織準(zhǔn)備。
此外，正火是在爐外冷卻，不占用加熱設(shè)備，生產(chǎn)周期比退火短，生產(chǎn)效率高，能量消耗少，工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，所以，低碳鋼多采用正火來(lái)代替退火。
各種退火和正火的加熱溫度范圍如圖19-12所示。
第三節(jié) 淬火
將鋼加熱到Ac3(亞共析鋼)或Ac1(過(guò)共析鋼)以上（30～50）℃，保溫后在水或油中快速冷卻的操作工藝稱(chēng)為淬火
一、淬火目的
淬火的目的一般都是為了獲得馬氏體組織，隨后再配合適當(dāng)?shù)幕鼗穑垣@得多種多樣的使用性能。如刃具和量具要求有高的硬度和耐磨性，各種軸和齒輪等要求有較好的強(qiáng)韌性等，都是通過(guò)淬火和回火來(lái)達(dá)到的，淬火回火通常作為最終熱處理。
二、淬火的工藝
(一)淬火溫度
碳鋼的加熱溫度主要是由鋼中的含C量根據(jù)Fe-Fe3C相圖來(lái)確定的，如圖19-13所示為碳鋼的淬火加熱溫度范圍。
對(duì)于亞共析鋼，適宜的淬火溫度為Ac3＋（30～50）℃， 淬火后獲得均勻細(xì)小的馬氏體組織。如將亞共析鋼加熱溫度過(guò)低(于Ac1～Ac3之間)，在淬火組織中將出現(xiàn)鐵素體，這樣將造成淬火硬度不足。若將亞共析鋼加熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)Ac3以上，將使A晶粒長(zhǎng)大，淬火后得到粗大M，使鋼性能下降， 但對(duì)于某些合金鋼為了使其中合金元素完全溶于A中，溫度可適當(dāng)提高。
對(duì)于過(guò)共析鋼，適宜的淬火溫度為Ac1＋（30～50）℃， 淬火后的組織為馬氏體和粒狀二次滲碳體。滲碳體比馬氏體硬，有利于提高鋼的耐磨性。如果加熱溫度過(guò)高(在Accm以下)，不僅會(huì)得到粗片狀馬氏體組織，脆性極大，而且由于奧氏體含碳量過(guò)高，使淬火鋼中殘余奧氏體量增多，使鋼的硬度和耐磨性降低。若淬火溫度過(guò)低，則可能得到非馬氏體組織，鋼的硬度達(dá)不到要求。
(二)淬火冷卻介質(zhì)
淬火操作的難度比較大，主要是因?yàn)橐玫今R氏體，淬火的冷卻速度就必須大于該鋼種的臨界冷卻速度，而快冷總是不可避免地要造成很大的內(nèi)應(yīng)力，往往會(huì)引起鋼件的變形和開(kāi)裂。
根據(jù)C曲線可知，要獲得馬氏體組織， 并不需要在整個(gè)冷卻過(guò)程中都進(jìn)行快速冷卻。關(guān)鍵是在過(guò)冷奧氏體最不穩(wěn)定的C 曲線鼻尖附近，即在（650～400）℃的溫度范圍內(nèi)要快速冷卻，而在650℃以上以及400℃以下，過(guò)冷奧氏體較穩(wěn)定，并不需要快速冷卻， 特別是在（300～200）℃以下發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，尤其不能快冷，否則因相變應(yīng)力作用容易引起變形和開(kāi)裂。根據(jù)上述要求，冷卻介質(zhì)對(duì)鋼的理想淬火冷卻速度應(yīng)是“慢--快--慢”。
實(shí)際上，還沒(méi)有找到一種淬火劑能符合這一理想淬火冷卻速度。生產(chǎn)中常用的冷卻介質(zhì)有水、水溶液、油等。
水在（650～400）℃范圍內(nèi)冷速很大，保證工件獲得馬氏體組織，但在300℃以下冷卻能力仍然很強(qiáng)，工件易發(fā)生變形和開(kāi)裂， 這是水的最大弱點(diǎn)。故水一般用于形狀簡(jiǎn)單碳鋼件的淬火。
鹽水冷卻能力比一般清水還強(qiáng)，因?yàn)楣ぜ砻娴慕Y(jié)晶鹽發(fā)生爆炸，破壞了包圍工件的蒸汽膜，有利于散熱。
油類(lèi)淬火劑多為礦物油，油在（650～550）℃之間冷卻能力較弱，僅為水的1/4，不利于碳鋼的淬硬，但它在（300～200）℃范圍內(nèi)冷卻速度比水小得多，相變應(yīng)力小，故油一般用于合金鋼或小尺寸碳鋼件的淬火。
常用淬火冷卻介質(zhì)的冷卻性能如表19-2所示。
(三)常用的淬火方法
由于淬火冷卻介質(zhì)不能完全滿足要求，除不斷探索新淬火劑外，還必須從淬火方法上加以解決，即利用現(xiàn)有各種淬火劑的不同特點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，以保證淬火質(zhì)量。
1.單液淬火法
將加熱的工件放入一種淬火介質(zhì)中連續(xù)冷卻至室溫的操作方法。碳鋼放在水中淬火，合金鋼在油中淬火，如圖19-15a所示。
這種淬火法操作簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化，適用于形狀簡(jiǎn)單的工件，但此法水冷變形大，油冷難淬硬，可將油、水雙冷結(jié)合起來(lái)進(jìn)行如下的雙液淬火。
2.雙液淬火法
將加熱的碳鋼先在水或鹽水中冷卻，冷到（300～400）℃時(shí)迅速移入油中冷卻，這種水淬油冷的方法稱(chēng)為雙液淬火法，如圖19-15b 所示。此法既可使工件淬硬，又能減少淬火的內(nèi)應(yīng)力，有效地防止產(chǎn)生淬火裂紋，主要用于形狀復(fù)雜的高碳工具鋼，如絲錐、板牙等。缺點(diǎn)是操作困難，技術(shù)要熟練。
3.分級(jí)淬火法
分級(jí)淬火法是把加熱好的工件先投入溫度稍高于Ms點(diǎn)的鹽浴或堿中快速冷卻停留一段時(shí)間，待其表面與心部達(dá)到介質(zhì)溫度后取出空冷，使之發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變， 它比雙液淬火進(jìn)一步減少了應(yīng)力和變形，而且操作較易。但由于鹽浴、堿浴的冷卻能力較小，故只適用于形狀較復(fù)雜、尺寸較小的工作。
4.等溫淬火法
此法與分級(jí)淬火法相類(lèi)似，只是在鹽浴或堿浴中的保溫時(shí)間要足夠長(zhǎng)，使過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變?yōu)橛懈邚?qiáng)韌性的下貝氏體組織，然后取出空冷。等溫淬火由于淬火內(nèi)應(yīng)力小，能有效地防止變形和開(kāi)裂，但此法缺點(diǎn)是生產(chǎn)周期較長(zhǎng)又要一定設(shè)備，常用于薄、細(xì)而形狀復(fù)雜的尺寸要求精確，并且要求強(qiáng)韌性高的工件，如成型刀具、模具和彈簧等。
三、鋼的淬透性概念
鋼的淬透性是指鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體的能力。如果工件整個(gè)截面都能得到馬氏體，說(shuō)明工件已淬透。但有時(shí)工件表面冷卻速度大就得到馬氏體組織，而越往心部冷卻速度越小就得到非馬氏體組織。凡是冷卻速度大于臨界冷卻速度的才能得到馬氏體組織，小于臨界冷卻速度的就是非馬氏體組織了，如圖19-16所示。
淬透性是指鋼獲得淬硬層深度的能力。按理，淬硬層的深度應(yīng)該是全淬成馬氏體的深度，但實(shí)際上，當(dāng)鋼的淬火組織中有少量非馬氏體(如托氏體)時(shí)，硬度值并不明顯變化，金相檢驗(yàn)也較困難。因此一般規(guī)定從工件表層深入到半馬氏體區(qū)(馬氏體與非馬氏體組織各占一半的地方易測(cè)定硬度)的深度為淬硬層深度。淬硬層越深，就表明鋼的淬透性越好，如果淬硬層深度達(dá)到心部，則表明該鋼全部淬透。
鋼的淬透性好壞對(duì)機(jī)械性能影響很大，當(dāng)工件整個(gè)截面都淬透時(shí)，回火后表面和心部得到完全一致的機(jī)械性能。若不能全部淬透，表面和心部的組織不同，經(jīng)回火后的性能就不一致，未淬透部分的屈服強(qiáng)度、沖擊韌性會(huì)顯著下降。
生產(chǎn)實(shí)踐表明，并非所有的機(jī)械零件都必須完全淬透。例如，承受彎、扭應(yīng)力的軸類(lèi)零件，表面熱處理的零件等，只需要一定深度的淬硬層就已滿足使用要求，就可選用低淬透性的鋼，不必強(qiáng)調(diào)全部淬透。
鋼的淬透性主要決定于臨界冷卻速度，臨界冷卻速度越小，過(guò)冷奧氏體越穩(wěn)定，鋼的淬透性就越好，反之，則降低鋼的淬透性。因此，除Co以外，大多數(shù)合金元素都能顯著提高鋼的淬透性。
應(yīng)當(dāng)指出，鋼的淬透性與淬硬性是兩個(gè)不同的概念。淬硬性指淬火后獲得的最高硬度，主要取決于馬氏體中的含碳量。淬透性好的鋼，它的淬硬性不一定高。如高碳工具鋼與低碳合金鋼相比，前者淬硬性高但淬透性低，后者淬硬性低但淬透性高。
第四節(jié) 回火
經(jīng)過(guò)淬火后的鋼應(yīng)及時(shí)進(jìn)行回火，以保證達(dá)到所需要的性能要求。工件淬火后，其性能是硬而脆，并存在著由于冷卻過(guò)快而造成的內(nèi)應(yīng)力，往往會(huì)引起工件變形甚至開(kāi)裂的危險(xiǎn)。
回火就是將淬火的鋼重新加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一段時(shí)間，然后置于空氣或水中冷卻。
一、回火的目的
1.降低淬火鋼的脆性和內(nèi)應(yīng)力，防止變形或開(kāi)裂。
2.調(diào)整和穩(wěn)定淬火鋼的結(jié)晶組織以保證工件不再發(fā)生形狀和尺寸的改變。
3.獲得不同需要的機(jī)械性能，通過(guò)適當(dāng)?shù)幕鼗饋?lái)獲得所要求的強(qiáng)度、硬度和韌性，以滿足各種工件的不同使用要求，淬火鋼經(jīng)回火后，其硬度隨回火溫度的升高而降低，回火，一般也是熱處理的最后一道工序。
二、回火時(shí)組織與性能的變化
淬火鋼中的馬氏體及殘余奧氏體都是不穩(wěn)定的組織，具有向穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變的自發(fā)傾向。隨回火溫度的升高，鋼的組織也相應(yīng)發(fā)生以下四個(gè)階段的轉(zhuǎn)變：
第一階段：馬氏體的分解(100～250)℃
在（100～200）℃時(shí)，馬氏體開(kāi)始分解，固溶在馬氏體中的過(guò)飽和碳原子部分以極細(xì)的ε碳化物(即ε-Fe2.4C)的形式析出， 使過(guò)飽和度降低。這種由極細(xì)的ε-Fe2.4C 和低過(guò)飽和度的α相組成的組織，稱(chēng)為回火馬氏體。如圖19-17所示。因?yàn)樗^淬火馬氏體易腐蝕，故顯微組織為暗黑色。馬氏體這一分解過(guò)程一直進(jìn)行到約350℃。
第二階段：殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變(200～300)℃
當(dāng)溫度超過(guò)200℃時(shí)，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成為回火馬氏體， 馬氏體繼續(xù)分解，溶碳量更低，到300℃，殘余奧氏體的分解基本結(jié)束。
第三階段：滲碳體的形成(250～400)℃
當(dāng)溫度超過(guò)250℃時(shí)，回火馬氏體中的ε-Fe2.4C轉(zhuǎn)變成為薄片狀Fe3C，馬氏體本身也變?yōu)殍F素體。這時(shí)的組織稱(chēng)為回火托氏體。如圖19-18所示。它是由針狀鐵素體和薄片狀滲碳體組成的。它是由針狀鐵素體和薄片狀滲碳體組成的。
第四階段：滲碳體的聚集長(zhǎng)大和α相再結(jié)晶(400℃以上)
滲碳體在400℃以上逐漸聚集長(zhǎng)大，形成較大的粒狀滲碳體， 同時(shí)，在450℃以上，針狀鐵素體再結(jié)晶為多邊鐵素體， 內(nèi)應(yīng)力與晶格歪扭完全消除。這種粒狀Fe3C與多邊狀鐵素體的組織，稱(chēng)為回火索氏體，如圖19-19所示。
淬火鋼回火時(shí)的組織變化，必然導(dǎo)致性能的變化。即隨著回火溫度升高，強(qiáng)度、硬度下降，而塑性、韌性上升。如圖19-20所示。
三、回火的種類(lèi)及應(yīng)用
根據(jù)工件的不同性能要求，按其回火溫度的范圍，可將回火大致分為以下三種：
1.低溫回火(150～250)℃
低溫回火的組織為回火馬氏體。這種回火主要是為了降低淬火鋼的應(yīng)力和脆性，提高韌性，而保持高硬度和耐磨性。它主要用于各類(lèi)高碳鋼的刀具、冷作模具、量具；滾動(dòng)軸承；滲碳或表面淬火件等。
2.中溫回火(350～500)℃
中溫回火的組織為回火托氏體。這種回火可顯著減少工件的淬火應(yīng)力，具有較高的彈性極限和屈服極限，并有一定的韌性。它主要應(yīng)用于各種彈簧、彈性?shī)A頭及鍛模的處理。
3.高溫回火(500～650)℃
高溫回火的組織為回火索氏體。這種回火可使工件獲得強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性都較好的綜合機(jī)械性能。淬火后高溫回火的熱處理稱(chēng)為調(diào)質(zhì)處理，簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)質(zhì)，常用于受力情況復(fù)雜的重要零件，如各種軸類(lèi)、齒輪、連桿等。
以上各溫度范圍中看出，沒(méi)有在（250～350）℃進(jìn)行回火，因?yàn)檫@正是鋼容易發(fā)生低溫回火脆性的溫度范圍，應(yīng)避開(kāi)。
