一、淬火

淬火是指将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk的速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。因此，淬火的目的就是为了获得马氏体，提高钢的力学性能。淬火是钢的最重要的强化方法，也是应用最广的热处理工艺之一。

1、淬火温度

淬火温度即钢奥氏体化温度，是淬火的主要工艺参数之一。

碳钢的淬火温度可利用铁碳相图来选择，如图5-33所示。对于亚共析钢，淬火温度为Ac3+30~50℃。当含碳量£0.5%时，淬火后组织为马氏体，如图5-34所示；当含碳量>0.5%时，淬火后组织为马氏体与少量残余奥氏体。亚共析钢在Ac1 ~Ac3之间加热淬火后的组织为马氏体加铁素体，如图5-35所示,由于组织中有自由铁素体存在，使钢的强度和硬度降低，但可改善韧性，这种淬火称为亚温淬火，如处理得当，亚温淬火也可作为一种强韧化处理方法。

对于共析钢和过共析钢，淬火温度为Ac1+30~50℃。共析钢淬火后的组织为马氏体和少量残余奥氏体。而过共析钢由于淬火前经过球化退火，因而淬火后组织为细马氏体加颗粒状渗碳体和少量残余奥氏体，如图5-36所示。分散分布的颗粒状渗碳体对钢的硬度和耐磨性有利。如果将过共析钢加热到Accm以上，则由于奥氏体晶粒粗大、含碳量提高，使淬火后马氏体晶粒也粗大、且残余奥氏体量增多，这将使钢的硬度、耐磨性下降，脆性和变形开裂倾向增加。

对于合金钢，由于大多数合金元素（Mn、P除外）有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，因而淬火温度比碳钢高，一般为临界点以上50~100℃。

2、淬火介质

理想淬火介质的冷却曲线（见图5-37）应只在C曲线“鼻尖”处快冷，而在Ms附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小内应力的目的。但目前还没有找到这种理想的淬火介质。

常用的淬火介质是水和油。

水是经济的且冷却能力较强的淬火介质。如表5-1 所示，水的缺点是在650~550℃范围内的冷却能力不够强，在300~200℃范围内冷却能力又太大。因此生产上水主要用于形状简单、截面较大的碳钢件的淬火。

从表5-1可以看出，油在低温区冷却能力较理想，但在高温区冷却能力太低，因此主要用于合金钢和小尺寸的碳钢件的淬火。大尺寸碳钢件油淬时由于冷却不足会出现珠光体型分解，如图5-38所示。

熔融的碱和盐也常用作淬火介质，称碱浴或盐浴。它们的冷却能力介于水和油之间，使用温度范围多为150~500℃。这类介质只适用于形状复杂和变形要求严格小型件的分级淬火和等温淬火。其他淬火介质如聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业上常用的。

3、淬火方法

采用适当的淬火方法可以弥补冷却介质的不足。常用的淬火方法如图5-38所示。

⑴ 单介质淬火法  是指将加热工件在一种介质中续连冷却到室温的淬火方法。如水淬和油淬都属于这种方法。该方法操作简单，易实现机械化，应用较广。

⑵ 双介质淬火法  是指将加热工件先在一种冷却能力强的介质中冷却躲过C曲线“鼻尖”后再转入另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。常用的如水淬油冷，油淬空冷等。其优点是冷却比较理想，缺点是在第一种介质中的停留时间不易掌握，需要具有实践经验。主要用于形状复杂的碳钢工件及大型合金钢工件。         

⑶ 分级淬火法  是指将加热工件在Ms点附近的盐浴或碱浴中淬火，待工件内外温度均匀后再取出缓冷的淬火方法。分级淬火法可显著降低工件的内应力，减少变形或开裂的倾向。

⑷ 等温淬火法  是指将加热工件在稍高于Ms温度的盐浴或碱浴中保温足够长时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。经等温淬火的零件具有良好的综合力学性能，淬火应力小，适用于形状复杂及要求较高的小型件。

4、钢的淬透性

淬透性是钢的主要热处理性能，它对合理选材和正确制订热处理工艺具有重要的意义。

⑴ 钢的淬透性及其测定方法

钢在淬火时获得淬硬层深度的能力称作钢的淬透性。其高低是用规定条件下的淬硬层深度来表示。淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区（即50%马氏体+50%非马氏体组织区）的深度。淬透性与淬硬性不同，淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力。

同一材料的淬硬层深度与工件的尺寸、冷却介质有关，工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。而淬透性与工件尺寸、冷却介质无关，它只用于不同材料之间的比较，是在尺寸、冷却介质相同时，用不同材料的淬硬层深度来进行比较的。

淬透性常用末端淬火法测定（见GB225-63）。如图5-39(a)所示，将F25´100mm的标准试样经奥氏体化后，对末端进行喷水冷却。试样上距水冷端越远的部分，冷速越低，其硬度也随之下降。将已冷却的试样沿轴向在相对180°的两边各磨一深度为0.2~0.5mm的窄平面，然后从水冷端开始，每隔一定距离测量一个硬度值，即可得到试样沿轴向的硬度分布曲线，称为钢的淬透性曲线，如图5-39(b)所示。图5-39(c)为钢的半马氏体区硬度与其含碳量的关系。利用5-39(b)和图5-39(c)可以找出相应钢的半马氏体区至水冷端的距离。该距离越大，钢的淬透性越大。由于钢成分的波动，同一钢号的淬透性曲线实际上是一个有一定波动范围的淬透性带。

根据GB225-63规定，钢的淬透性值用表示，其中J表示末端淬透性，d表示至水冷端的距离，HRC为该处的硬度值。如表示距水冷端5mm处试样的硬度值为42HRC。

在实际生产中，常用临界直径来表示淬透性。所谓临界直径是指圆形钢棒在介质中冷却时，中心被淬成半马氏体的最大直径，用dc表示。显然，在相同的冷却条件下，dc越大，钢的淬透性越好。

⑵ 影响淬透性的因素

钢的淬透性取决于其临界冷却速度，临界冷却速度越小，则奥氏体越稳定，钢的淬透性越高。而临界冷却速度取决于C曲线的位置，C 曲线越靠右，临界冷却速度越小。因而凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素。

在碳钢中，共析钢的临界冷却速度最小，因而其淬透性在碳钢中最高。

除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移，临界冷却速度减小，钢的淬透性提高。

提高奥氏体化温度、延长保温时间使奥氏体晶粒长大、成分均匀，不利于冷却转变时的形核，从而提高了奥氏体的稳定性，使钢的淬透性提高。而钢中未溶的第二相则促进冷却转变时的形核，降低奥氏体的稳定性，使淬透性下降。

⑶ 淬透性的应用

力学性能是机械设计中选材的主要依据，而钢的淬透性又直接影响其热处理后的力学性能。因此，在选材时，必须对钢的淬透性有充分的了解。

图5-40为两种淬透性不同的钢制成相同的轴经调质处理（淬火加高温回火）后其力学性能的比较。高淬透性钢的整个截面都是回火索氏体（渗碳体为颗粒状）组织，力学性能均匀，强度高，韧性好。而低淬透性钢的心部组织为片状索氏体加铁素体，韧性差。此外，淬火组织中马氏体量增加还会提高钢的屈强比ss/sb和疲劳极限s-1。

对于截面尺寸较大、形状复杂的重要零件以及承载较大而要求截面力学性能均匀的零件，如螺栓、连杆、锻模、锤杆等，应选用高淬透性的钢制造，并要求全部淬透。而承受弯曲和扭转的零件，如轴类、齿轮等，由于其外层受力较大，心部受力较小，可选用淬透性较低的钢种，不必全部淬透。由于淬硬层深度受工件尺寸影响，在设计制造时，应注意尺寸效应。

二、回火

回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。

1、回火的目的

⑴ 减少或消除淬火内应力，防止工件变形或开裂。

⑵ 获得工艺所要求的力学性能。淬火钢一般硬度高、脆性大，通过适当回火可调整硬度和韧性。

⑶ 稳定工件尺寸。淬火马氏体和残余奥氏体都是非平衡组织，有自发向平衡组织—铁素体加渗碳体转变的倾向。回火可使马氏体与残余奥氏体转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。

⑷ 对于某些高淬透性的钢，由于空冷即可淬火，如采用退火则软化周期太长，而采用回火软化则既能降低硬度，又能缩短软化周期。

对于未经淬火的钢，回火是没有意义的，而淬火钢不经回火一般也不能直接使用，为避免淬火件在放置过程发生变形或开裂，钢件经淬火后应及时进行回火。

2、回火的种类

根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。

⑴ 低温回火

回火温度为150-250℃。低温回火时，马氏体将发生分解，从马氏体中析出e-碳化物（FeXC），使马氏体过饱和度降低。析出的碳化物以细片状分布在马氏体基体上，这种组织称为回火马氏体，用M回表示。在光学显微镜下M回为黑色，A’为白色，如图5-41所示。由于马氏体分解，其正方度下降，减轻了对残余奥氏体的压力，马氏体点上升，因而残余奥氏体分解为e-碳化物和过饱和铁素体，即转变为M回。

低温回火的目的是在保留淬火后高硬度（一般为58~64HRC）、高耐磨性的同时，降低内应力，提高韧性。主要用于处理各种工具、模具、轴承及经渗碳和表面淬火的工件。

⑵ 中温回火

回火温度为350-500℃。中温回火时，e-碳化物溶解于铁素体中,同时从铁素体中析出Fe3C。到350℃，马氏体中的含碳量已降到铁素体的平衡成分，内应力大量消除，M回转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状组织，称为回火托氏体，用T回表示，如图5-42所示。

回火托氏体组织具有较高的弹性极限和屈服极限，并具有一定的韧性，硬度一般为35~45HRC。主要用于各类弹簧的处理。

⑶ 高温回火

回火温度为500-650℃。此时，Fe3C发生聚集长大，铁素体发生多边形化，由针片状转变为多边形，这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织称为回火索氏体，用S回表示，如图5-43所示。

回火索氏体组织具有良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性，硬度一般为25~35HRC。通常把淬火加高温回火的热处理工艺称作“调质处理”，简称“调质”。表5-3为45钢经调质和正火处理后力学性能的比较，由于调质组织中的渗碳体是颗粒状的，正火组织中的渗碳体是片状的，而粒状渗碳体对阻碍裂纹扩展比片状渗碳体更有利，因而调质组织的强度、硬度、塑性及韧性均高于正火组织。调质广泛用于各种重要结构件如连杆、轴、齿轮等的处理。也可作为某些要求较高的精密零件、量具等的预备热处理。

3、回火脆性

回火时的组织变化必然引起力学性能的变化。总的趋势是随回火温度提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。图5-44为淬火钢硬度随回火温度的变化。可以看出，在200℃以下回火时，由于马氏体中碳化物的弥散析出，钢的硬度并不下降，高碳钢硬度甚至略有提高。在200-300℃回火时，由于高碳钢中的残余奥氏体转变为回火马氏体，硬度再次升高。300℃以上回火时，由于渗碳体粗化，马氏体转变为铁素体，硬度直线下降。

淬火钢的韧性并不总是随温度升高而提高，在某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降的现象，称作回火脆性，如图5-45所示。根据回火脆性出现的温度范围，可将其分为两类。

⑴ 不可逆回火脆性

是指淬火钢在250-350℃回火时出现的脆性, 又称第一类回火脆性。这种回火脆性是不可逆的，只要在此温度范围内回火就会出现脆性，目前尚无有效消除办法。因而回火时应避开这一温度范围。                                                     

⑵ 可逆回火脆性

是指淬火钢在500-650℃范围内回火后缓冷时出现的脆性，又称第二类回火脆性。这类回火脆性主要发生在含Cr、Mn、Cr-Ni等合金元素的结构钢中。一般认为这类回火脆性与上述元素促进Sb、Sn、P等杂质在原奥氏体晶界上偏聚有关。如果回火后快速冷却则不出现这类脆性。此外，在钢中加入合金元素W（约1%）、Mo（约0.5%）也可有效抑制这类回火脆性的产生，这种方法更适用于大截面的零部件。