第二节 钢的普通热处理
钢的普通热处理方法有退火、正火、淬火和回火四类。
一、退火
将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后随炉冷或将工件埋入石灰等冷却能力弱的介质中缓慢冷却到600℃以下，再空冷至室温的热处理工艺称为退火。根据退火加热温度的不同，退火工艺方法主要有完全退火、不完全退火、扩散退火、再结晶退火以及去应力退火五种，其加热温度及工艺规范见图3-10和图3-11。以下具体介绍退火工艺方法及其主要作用。
图3-10退火与正火的加热温度范围
图3-11退火与正火的工艺规范
1. 完全退火
完全退火是将钢件加热至Ac3以上20～30℃，经过完全奥氏体化后进行缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺，其主要作用和目的是细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度和改善钢的切削加工性。完全退火主要用于亚共析钢（Wc=0.3～0.6%）,低碳钢和过共析钢不宜采用。低碳钢完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。过共析钢完全退火，缓慢冷却，渗碳体有充分的时间析出，大量的渗碳体在晶界上连成网状，使钢的硬度不均匀、塑性和韧性显著降低。
2. 不完全退火
不完全退火是将钢加热至Ac1+（20～40℃）之间，经过保温后缓慢冷却以获得近于平衡组织的热处理工艺。其主要作用和目的如下：
由于不完全退火加热至两相区温度，仅使奥氏体发生重结晶，故基本上不改变先共析铁素体或渗碳体的形态和分布。如果亚共析钢原始组织中的铁素体已经均匀细小，只是珠光体片间距小，硬度偏高，内应力较大，那么只要在Ac1+（20～40℃）温度之间进行不完全退火即可达到降低硬度、消除内应力的目的。由于不完全退火的加热温度低，工艺过程时间短，因此对于亚共析钢的锻件来说，若其锻造工艺正常，钢的原始组织分布合适，则可以采用不完全退火代替完全退火。
不完全退火主要用于共析钢和过共析钢，在加热和保温过程中，通过渗碳体的不完全溶解而使片状珠光体和网状渗碳体转变为球状珠光体，如图3-12所示，以消除内应力、降低硬度、改善切削加工性，故不完全退火又称为球化退火。球化退火实质上是不完全退火的一种，在球化退火之前必须进行正火处理以使网状渗碳体断开，为球化退火作组织准备。
3. 扩散退火
扩散退火又称均匀化退火，是将钢锭、铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。其主要作用和目的是消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的成分偏析，使成分和组织均匀化。
扩散退火加热温度高、保温时间长，所以加工效率低、成本高，也容易产生粗晶、氧化、脱碳等缺陷。因此，扩散退火只是用于一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭，并且扩散退火后可以进行一次完全退火或正火，以细化晶粒、消除缺陷。
4. 再结晶退火
再结晶退火是把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保温适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒而消除加工硬化的热处理工艺。
钢经过冷冲、冷轧或冷拉后会产生加工硬化现象，使钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，切削加工性能和成形性能变差。再结晶退火就是应用于冷变形工件，主要作用和目的就是要消除加工硬化，降低强度和硬度，使钢的机械性能恢复到冷变形前的状态。
冷变形钢的再结晶温度与化学成分、变形程度有关，根据经验公式T再≈0.4T熔（其中T再、T熔分别是以绝对温度表示的再结晶温度和熔点），钢的再结晶温度大约为450℃，铝合金的再结晶温度大约为100℃。再结晶温度还与变形程度有关，一般来说，形变量越大，再结晶温度越低。
5. 去应力退火
主要作用和目的是减少和消除工件在铸造、锻造、焊接、切削、热处理等加工过程中产生的残余内应力，稳定工件的尺寸，防止工件的变形。其主要的工艺特点是退火加热温度低、保温时间长，因而又称之为低温退火。
二、正火
正火是将钢加热到Ac1或Ac3以上适当温度，保温以后在空气中冷却得到珠光体型组织（珠光体、索氏体或屈氏体）的热处理工艺。与完全退火相比，二者的加热温度相同，但正火冷却速度较快，转变温度较低。因此，钢材正火组织较退火组织细小，强度、硬度较高。
正火的主要作用和目的如下：
1. 改善钢的切削加工性能
含碳量低于0.25%的低碳钢，退火后硬度较低，切削加工过程中容易“粘刀”，通过正火处理，可以提高硬度至140～190HB，改善钢的切削加工性能，提高刀具的使用寿命和加工工件的表面质量。
2. 消除工件的热加工缺陷
钢件在铸造、锻造、热轧、焊接等热加工过程中容易产生粗大晶粒、内应力等缺陷，通过正火处理可以消除这些缺陷，达到细化晶粒、均匀组织、消除内应力的目的。
3. 消除过共析钢的网状渗碳体，便于球化退火
过共析钢在淬火之前要进行球化退火，以便于机械加工并为淬火做好组织准备。当过共析钢中存在严重网状渗碳体时，直接球化退火将达不到良好的球化效果。正火加热时使渗碳体全部溶入奥氏体中，再采用较快的冷却速度冷却下来，以抑制渗碳体的析出，相当于使网状渗碳体断开，为球化退火做组织准备。
4. 代替调质处理作为最终热处理，提高加工效率
一些受力不大、性能要求不高的碳钢和合金钢零件采用正火处理，达到一定的综合机械性能，可以代替调质处理，作为最终热处理。
三、淬火
在机械制造中，多数零件都需要通过淬火与回火来获得所要求的组织、性能，因此，常把淬火+回火称为最终热处理。
淬火后钢的组织通常是马氏体与残余奥氏体的混合组织，马氏体和残余奥氏体都是不稳定的组织，在使用过程中会发生组织转变，性能也会随之发生转变。因此，淬火后必须及时回火（表面淬火可以例外），以消除内应力、稳定组织，获得所需要的性能。
淬火就是把钢件加热到Ac3或Ac1以上温度，经过保温后迅速冷却至室温的热处理工艺。淬火工艺涉及的问题比较复杂，应根据材料的化学成分、零件的形状和尺寸等，并参照该材料的“C”
曲线来制定合理的淬火工艺方案。
1. 淬火的目的
钢的淬火包括两种，一种是等温淬火，目的是获得下贝氏体；另一种是普通淬火，目的是获得马氏体。通常所提到的淬火是指普通淬火，淬火的目的是为了获得马氏体组织。有了这种组织之后，就可以利用回火来调整它的强度、硬度、塑性、韧性之间的关系，获得所需要的性能。
2. 淬火工艺
淬火质量取决于淬火的三个要素，即加热温度、保温时间和冷却速度。
3-13碳素钢的淬火加热温度范围
⑴ 淬火加热温度淬火加热温度主要取决于钢的化学成分。碳素钢的淬火加热温度如图3-13所示。
亚共析钢的淬火加热温度范围为Ac3+30～50℃。若加热温度低于Ac3，则加热组织不能完全奥氏体化，没有奥氏体化的铁素体淬火时将保留下来，降低钢的硬度；若加热温度过高，则奥氏体晶粒会过分长大，淬火得到粗大的马氏体组织，使脆性增大，且淬火时工件易变形甚至产生淬火裂纹或开裂。
共析钢和过共析钢适宜的淬火加热温度为Ac1+30～50℃。由于加热温度较低，加热组织为含碳量稍低的奥氏体和未溶入奥氏体的少量渗碳体，渗碳体的存在对于提高钢的硬度和耐磨性没有坏处，而且可以阻碍马氏体的长大，细化晶粒，降低脆性并可减小淬火产生的组织应力。若加热温度高于Accm温度，奥氏体化后组织粗大，淬火会得到粗大的马氏体和过量的残余奥氏体，反而会使硬度和耐磨性降低，并且会增大淬火应力，使工件易变形甚至开裂。
对于含有阻碍奥氏体长大的强碳化物形成元素（如Ti、Zr、Nb、W等）的合金钢，淬火加热温度应偏高些，以加速碳化物的溶解，获得较好的淬火效果。对于含有促进奥氏体长大的元素（如Mn等）的合金钢，淬火加热温度应偏低些，以免产生过热现象。
⑵ 淬火加热保温时间保温的目的是使工件烧透，组织转变充分。保温时间主要根据钢的成分特点、加热介质和零件尺寸来确定。钢的含碳量越高，含合金元素越多，导热性就越差，因而保温时间就越长。在箱式电阻炉中加热，加热介质是热空气，加热速度慢，保温时间较长；而在盐浴炉中加热，加热介质是熔盐，加热速度快，保温时间较短。零件的尺寸（厚度或直径）越大，保温时间越长。生产上通常根据经验公式来确定具体保温时间。
⑶ 淬火冷却速度为了获得马氏体组织，工件在淬火冷却介质中的冷却必须有足够快的冷却速度。实际冷却速度V必须大于该钢的临界淬火冷却速度Vc。但冷却速度过大会导致工件淬火内应力增大，容易导致工件的变形甚至开裂。
淬火介质的冷却能力决定了工件淬火时的冷却速度。为减小淬火内应力，防止工件淬火变形甚至开裂，在保证材料淬火中过冷奥氏体在鼻温以上不发生其它组织转变迅速冷却至Ms温度以下发生马氏体转变的前提下，应选用冷却能力弱的冷却介质。
理想的淬火冷却介质是在“C”曲线鼻温以上冷却能力强，而在鼻温以下冷却能力弱，这样即可保证得到马氏体组织，又可减小淬火应力。
水是常用的淬火介质，在“C”曲线鼻温以上和以下都具有很强的冷却能力，工件容易获得马氏体组织，但会产生较大的淬火应力，易引起工件变形和开裂。常用水作为临界淬火冷却速度较大的碳素钢和某些低合金钢工件的淬火介质。
油类淬火介质有矿物油（如10#、20#机油）和植物油（如菜油、豆油）两类，也是常用的淬火冷却介质。油类淬火介质的冷却能力比水差，特别是在300～200℃范围内冷却速度比水低的多，因而能减小工件的淬火应力，防止工件变形和开裂。常用油类淬火介质作为临界淬火冷却速度较低的合金钢和某些小型复杂碳素钢件的淬火介质。
此外，还有一些效果好的新型淬火介质，如水玻璃-苛性碱淬火介质、氯化锌-苛性碱淬火介质及过饱和硝酸盐水溶液淬火介质等。
3. 常用的淬火方法
为了保证工件淬透，同时防止变形和开裂，应根据材料的种类
、工件的形状、尺寸和技术要求，选择正确的淬火冷却方法。
常用的淬火冷却方法有四种，如图3-14所示。
⑴ 单液淬火法（普通淬火法）工件加热后在一种介质中连续冷却至室温的淬火方法称为单液淬火法，操作简单，应用较广泛。其缺点是水淬淬火应力大，工件变形开裂倾向大；油淬淬透深度小。
⑵ 双液淬火法工件先后在两种介质中冷却至室温的淬火方法称为双液淬火法。一般是先在冷却能力强的介质（常用水）中冷却至Ms以上温度，然后再放入冷却能力弱的介质（常用油）中冷却至室温。此方法操作复杂，对工人技术水平要求高，但既可保证得到马氏体组织，又可减少淬火应力及产生变形、开裂的倾向。
⑶ 分级淬火法将加热好的钢件先放入温度稍高于Ms温度的液体介质（熔盐或熔碱）中冷却并保温一段时间（不可使冷却曲线进入“C”曲线），待工件表面与心部温度均匀一致后，再取出置于空气中冷却至室温得到马氏体组织，此淬火工艺方法叫分级淬火法。此方法可大大减小淬火应力，避免工件变形开裂，但由于盐浴或碱浴冷却能力差，故多用于淬透性大的合金钢，形状复杂、尺寸小的工件。
图3-14常用淬火冷却方法a-单液淬火b-双液淬火c-分级淬火d-等温淬火
⑷ 等温淬火法等温淬火法操作与分级淬火相似，只是工件在盐浴炉或碱浴炉内保温时间长，使冷却曲线穿过“C”曲线，使过冷奥氏体转变为下贝氏体，然后出炉空冷，目的是得到下贝氏体组织。此方法多用于形状复杂，既要求有较高的硬度，又要求有较好的韧性的刀具、模具、弹簧等一些重要工件。等温淬火不易使工件变形开裂，而且下贝氏体在室温下能够稳定存在，所以一般不需要回火即可使用，但生产周期长。
在其它条件相同的情况下，单液淬火法工件的淬火应力要大于双液淬火法。
分级淬火法与等温淬火法比较，不同之处是：在等温过程中，分级淬火法不发生组织转变，只是减少工件内外部的温度差，因而减少淬火应力，等温淬火法发生组织转变获得下贝氏体；另一方面，淬火产物不同，分级淬火法获得马氏体组织，等温淬火法获得下贝氏体。
4. 钢的淬硬性与淬透性
钢的淬硬性是指钢能够淬硬的程度，也就是钢淬火后得到的马氏体的硬度的高低。它是指钢在正常淬火条件下可能达到的最高硬度。马氏体是含碳量过饱和的间隙式固溶体，碳的过饱和程度越高，则马氏体的硬度越高，所以淬硬性主要取决于钢的含碳量，含碳量越高，加热保温后奥氏体的碳浓度越大，淬火后所得到马氏体中的碳的过饱和程度越大，马氏体的晶格畸变越严重，钢的淬硬性越好。因此，当要求硬度高、耐磨性好时，应选用含碳量高的钢。至于合金元素，对钢的淬硬性影响不大，但对钢的淬透性却有重大影响。
钢的淬透性是指钢在一定淬火条件下淬火获得马氏体层深度的多少，以钢在一定淬火条件下得到马氏体深度来表示，深度越大，淬透性越好。钢的淬透性主要与合金元素及其含量有关，合金元素（除钴、铝外）使“C”曲线右移，减小临界淬火冷却速度，提高钢的淬透性。因此，一般来说合金钢的淬透性优于碳素钢。
淬透性是合理选用钢材及制定热处理工艺的重要依据之一。如果某种钢的淬透性大，工件能被淬透，经回火后的机械性能沿整个截面均匀一致，所以对受力大、截面大、形状复杂的调质件，应该力求沿工件截面各处的组织和性能均匀一致，可选用淬透性大的钢，如合金调质钢。如果某种钢的淬透性差，工件未被淬透，经回火后工件表层和心部的组织和性能均存在差异，心部的强度和硬度较低，表面的强度和硬度较高。所以对于一些要求表面硬度高、耐磨性好，而要求心部韧性好的工件，可选用低淬透性钢。
碳素钢的导热能力强，临界淬火冷却速度大，淬透性较差，一般采用冷却能力强的淬火介质；合金钢的导热能力弱，临界淬火冷却速度小，淬透性较
好，一般采用冷却能力弱的淬火介质，这对减小淬火应力、变形和开裂十分有利，尤其对形状复杂和截面尺寸变化大的工件更为重要。
由于钢的淬硬性和淬透性的主要影响因素不同，所以一种钢的淬硬性好，它的淬透性不一定好，二者之间没有必然的联系。
5. 钢的主要淬火缺陷
⑴ 硬度过低或硬度不均主要原因可能是:淬火加热温度过低或保温时间过短；淬火冷却速度低或冷却不均匀；淬火加热时产生了较严重的氧化和脱碳。
⑵ 硬度过高、脆性过大主要原因可能是淬火加热温度过高或保温时间过长。
⑶ 过热或过烧当淬火加热温度过高，或保温时间过长时会使奥氏体晶粒急剧长大，淬火后得到粗大的马氏体组织，这一现象称为过热。如果继续提高淬火加热温度，奥氏体晶界产生严重氧化或局部熔化，淬火后材料完全失去塑性，这种现象称为过烧。产生过热的工件可通过退火、正火或重新淬火来补救，但过烧的工件无法补救，只有报废。因此，必须严格控制淬火加热温度及保温时间。
⑷ 变形与开裂变形与开裂都是由内应力过大引起的，零件结构设计不当则更容易发生。产生过大的内应力是由加热或冷却速度过大引起的，导热性差的高合金钢更容易产生。当内应力超过钢的屈服极限时会引起工件变形，超过钢的强度极限时则导致工件开裂。
为避免发生以上缺陷，必须严格控制淬火工艺参数，包括淬火加热温度、保温时间，尤其是冷却速度。
四、回火
回火是把淬火后的工件重新加热到A1以下某一温度，经保温后空冷至室温的热处理工艺。钢淬火后得到马氏体与残余奥氏体的混合组织，这种组织及其性能是不稳定的，所以针对钢的基体的淬火，淬火之后必须回火，以稳定组织与性能。钢的表面淬火只是对钢件表层进行淬火，是个例外，表面淬火之后可以进行回火，也可以不进行回火。
1. 回火的目的
⑴ 消除内应力工件在淬火冷却时，会产生内应力，如果工件不进行回火，在放置或使用过程中会发生变形或突然的开裂，所以工件淬火后需要进行回火以使应力松弛或完全消除，从而降低脆性，提高韧性，防止工件变形与开裂。
⑵ 稳定工件组织钢在淬火后得到马氏体和残余奥氏体，都是不稳定的组织，组织转变过程中不仅会使工件的性能发生变化，而且会伴随着比容变化使工件尺寸发生变化，使其精度降低。因此，通过回火使组织稳定，以免工件在使用过程中发生组织转变。
⑶ 调整组织、性能对淬火钢进行不同的回火，可以获得不同的组织和性能。因此，可根据工件性能的要求，选用适当的回火工艺。
2. 淬火钢在回火时组织与性能的变化
淬火钢在回火时的组织转变可分为如下四个阶段：
第一阶段（室温至250℃）：在这一温度范围内回火，淬火马氏体分解，过饱和的碳原子析出，形成碳化物FeχC，马氏体中碳的过饱和程度降低。回火组织称为回火马氏体。
第二阶段（230～280℃）：在此温度范围内回火，马氏体继续分解，同时残余奥氏体转变为过饱和α固溶体与碳化物。回火组织亦称为回火马氏体。
第三阶段（260～360℃）：在此温度范围内回火，马氏体继续分解，过饱和α固溶体中的碳继续析出而转变为铁素体；回火马氏体中的FeχC转变为稳定的粒状渗碳体。此阶段回火后的组织为铁素体与极细渗碳体的机械混合物，称为回火屈氏体。
第四阶段（400℃以上）：在400℃以上回火，碳化物聚集长大，温度越高碳化物越大。这种适当聚集长大后的粒状碳化物与铁素体的机械混合物称为回火索氏体。
综上所述，淬火钢在回火过程中，随着回火温度升高，发生一系列的组织变化，必然引起性能的变化，总的趋势是随着回火温度升高，强度、硬度降低，塑性、韧性提高。
3. 回火工艺及其应用
⑴ 低温回火（150～250℃）低温回火后的组织为回火马氏体，由成分不均匀的过饱和α固溶体与高度弥散分布的碳化物Fe
χC所组成。低温回火后减少或消除了淬火内应力，提高了钢的韧性，基本保持了淬火钢的高硬度和耐磨性，常用于刃具、量具、冷作模具、滚动轴承以及表面淬火件和渗碳淬火件等工件的热处理。低温回火后的工件硬度一般在60HRC以上。
⑵ 中温回火（350～500℃）中温回火后的组织为回火屈氏体，是极细小的铁素体与球状渗碳体的混合物。中温回火的主要目的是提高弹性和韧性，并保持一定的硬度，主要用于各种弹簧、锻模、压铸模等工件的热处理。中温回火后的工件硬度一般为35～45HRC。
⑶ 高温回火（500～650℃）高温回火后的组织为回火索氏体，是较细小的铁素体与球状渗碳体的混合物。这种组织既具有一定强度和硬度，又有较高的冲击韧性，也就是具有良好的综合机械性能，常用于受力大而复杂的零件，如传动轴、连杆、曲轴、齿轮等。调质处理的工件硬度一般为28～33HRC。
淬火后高温回火这一综合热处理工艺称为调质处理，调质处理常用作最终热处理，有时也作为预备热处理。
4. 回火工艺参数
回火的主要工艺参数是回火温度和回火时间。随着回火温度的提高和回火时间的延长，淬火工件的硬度降低愈多，淬火工件的最终硬度不断降低。
5. 钢件在回火时的主要缺陷
⑴ 硬度过低主要原因是回火温度过高或保温时间过长等。
⑵ 硬度过高、脆性过大主要原因是回火温度过低或保温时间过短；在脆性温度范围内回火或冷却方式不当等。
