一、退火与正火

正火是将钢加热到Ac3或Accm以上保温再在空气中冷却的热处理工艺，退火是将钢加热到相变温度Ac1以上或以下，较长时间保温并缓慢冷却（一般随炉冷却）的一种工艺。
1．退火
退火的种类很多，常用的主要有如下几种类型：
（1）完全退火
完全退火是将钢件或钢材加热到Ac3以上20℃～30℃，经完全奥氏体化后进行随炉缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺。
（2）球化退火
钢随炉升温加热到Ac1以上Accm以下的双相区，较长时间保温，并缓慢冷却的工艺。这种工艺主要适用于共析或过共析的工模具钢，目的是让其中的碳化物球化（粒化）和消除网状的二次渗碳体，因此叫做球化退火。
（3）去应力退火和再结晶退火
一些铸铁件、焊接件和变形加工件会残存很大的内应力，为了消除由于变形加工以及铸造、焊接过程引起的残余内应力而进行的退火称为去应力退火。
（4）扩散退火
扩散退火是将工件加热到略低于固相线的温度（亚共析钢通常为1050℃～1150℃），长时间（一般10～20小时）保温，然后随炉缓慢冷却到室温。扩散退火的主要目的是均匀钢内部的化学成分。主要适用于铸造后的高合金钢。
2．正火
正火是将钢材或钢件加热到临界温度以上，保温后空冷的热处理工艺。亚共析钢的正火加热温度为Ac3＋30℃～50℃；而过共析钢的正火加热温度则为Accm＋30℃～50℃。
正火与退火的主要区别在于冷却速度不同，正火冷却速度较大，得到的珠光体组织很细，因而强度和硬度也较高。
正火主要应用于以下几个方面：
（1）消除网状二次渗碳体
所有的钢铁材料通过正火，均可使晶粒细化。而原始组织中存在网状二次渗碳体的过共析钢，经正火处理后可消除对性能不利的网状二次渗碳体，以保证球化退火质量。
（2）作为最终热处理
对于机械性能要求不高的结构钢零件，经正火后所获得的性能即可满足使用要求，可用正火作为最终热处理。
（3）改善切削加工性能
对于低碳钢或低碳合金钢，由于完全退火后硬度太低，一般在170HB以下，切削加工性能不好。而用正火，则可提高其硬度，从而改善切削加工性能。所以，对于低碳钢和低碳合金钢，通常采用正火来代替完全退火，作为预备热处理。
从改善切削加工性能的角度出发，低碳钢宜采用正火；中碳钢既可采用退火，也可采用正火；含碳0.45%～0.6%的高碳钢则必须采用完全退火；过共析钢用正火消除网状渗碳体后再进行球化退火。图6-13是钢的几种热处理工艺与合适加工硬度范围的关系。

   
            

                     

图6-13 钢的热处理与硬度
（阴影部分为合适的切削加工硬度范围）

二、钢的淬火
将亚共析钢加热到Ac3以上，共析钢与过共析钢加热到Ac1以上（低于Accm）的温度，保温后以大于Vk的速度快速冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺叫淬火。马氏体强化是钢的主要强化手段，因此淬火的目的就是为了获得马氏体，提高钢的机械性能。淬火是钢的最重要的热处理工艺，也是热处理中应用最广的工艺之一。
1．淬火温度的确定
淬火温度即钢的奥氏体化温度，是淬火的主要工艺参数之一。选择淬火温度的原则是获得均匀细小的奥氏体组织。
图6-14是碳钢的淬火温度范围。亚共析钢的淬火温度一般为Ac3以上30℃～50℃，淬火后获得均匀细小的马氏体组织。如果温度过高，会因为奥氏体晶粒粗大而得到粗大的马氏体组织，使钢的机械性能恶化，特别是使塑性和韧性降低；如果淬火温度低于Ac3，淬火组织中会保留未溶铁素体，使钢的强度硬度下降。
                

                  

图6-14 碳钢的淬火温度范围

2．加热时间的确定
加热时间由升温时间和保温时间组成。由零件入炉温度升至淬火温度所需的时间为升温时间，并以此作为保温时间的开始。保温时间是指零件烧透及完成奥氏体化过程所需要的时间。加热时间通常根据经验公式估算或通过实验确定。生产中往往要通过实验确定合理的加热及保温时间，以保证工件质量。
3．淬火冷却介质的确定
淬火过程是冷却非常快的过程。为了得到马氏体组织，淬火冷却速度必须大于临界冷却速度Vk。但是，冷却速度快必然产生很大的淬火内应力，这往往会引起工件变形。
淬火的目的是得到马氏体组织，同时又要避免产生变形和开裂。理想的淬火冷却曲线如图6-15所示。

      

                

图6-15 理想淬火冷却曲线示意图

只要在“鼻尖”温度附近快冷，使冷却曲线躲过“鼻尖”，不碰上C曲线，就能得到马氏体。也就是说，在“鼻尖”温度以上，在保证不出现珠光体类型组织的前提下，可以尽量缓冷；在“鼻尖”温度附近则必须快冷，以躲开“鼻尖”，保证不产生非马氏体相变；而在Ms点附近又可以缓冷，以减轻马氏体转变时的相变应力。但是到目前为止，还找不到完全理想的淬火冷却介质。 常用的淬火冷却介质是水、盐或碱的水溶液和各种矿物油、植物油。
4．淬火方法
选择适当的淬火方法同选用淬火介质一样，可以保证在获得所要求的淬火组织和性能条件下，尽量减小淬火应力，减少工件变形和开裂倾向。
（1）单液淬火
它是将奥氏体状态的工件放入一种淬火介质中一直冷却到室温的淬火方法（见图6-16曲线1）。这种方法操作简单，容易实现机械化，适用于形状简单的碳钢和合金钢工件。
               
        

               

图6-16 各种淬火方法冷却曲线示意图

（2）双液淬火
它是先将奥氏体状态的工件在冷却能力强的淬火介质中冷却至接近Ms点温度时，再立即转入冷却能力较弱的淬火介质中冷却，直至完成马氏体转变（图6-16曲线2）。
（3）分级淬火
它是将奥氏体状态的工件首先淬入略高于钢的Ms点的盐浴或碱浴炉中保温，当工件内外温度均匀后，再从浴炉中取出空冷至室温，完成马氏体转变（见图6-16曲线3）。
（4）等温淬火
它是将奥氏体化后的工件在稍高于Ms温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。
5．钢的淬透性
淬透性是钢的重要热处理工艺性能，也是选材和制定热处理工艺的重要依据之一。
（1）淬透性的概念
钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得淬硬层（也称为淬透层）深度的能力，其大小用钢在一定条件下淬火获得的淬硬层深度来表示。
（2）影响淬透性的因素
影响淬透性的主要因素是化学成分，除Co以外，所有溶于奥氏体中的合金元素都提高淬透性。另外，奥氏体的均匀性、晶粒大小及是否存在第二相等因素都会影响淬透性。
（3）淬透性的测定及其表示方法
淬透性的测定方法很多，目前应用得最广泛的是“末端淬火法”，简称端淬试验。试验时，先将标准试样加热至奥氏体化温度，停留30～40min，然后迅速放在端淬试验台上喷水冷却。图6-17a是末端淬火试验法示意图。

           

              图6-17 末端淬火试验测定钢的淬透性曲线
（a）喷水装置；（b）淬透性曲线举例；（c）钢的半马氏体区（50%M）硬度与钢的含碳量的关系

三、钢的回火

回火一般是紧接淬火以后的热处理工艺，回火是淬火后再将工件加热到Ac1温度以下某一温度，保温后再冷却到室温的一种热处理工艺。
淬火后的钢铁工件处于高的内应力状态，不能直接使用，必须即时回火，否则会有工件断裂的危险。淬火后回火目的在于降低或消除内应力，以防止工件开裂和变形；减少或消除残余奥氏体，以稳定工件尺寸；调整工件的内部组织和性能，以满足工件的使用要求。
1．钢在回火时的转变
共析钢在淬火后，得到的马氏体和残余奥氏体组织是不稳定的，存在着向稳定组织转变的自发倾向。回火加热可加速这种自发转变过程。根据转变发生的过程和形成的组织，回火可分为四个阶段：
第一阶段（200℃以下）：马氏体分解。
第二阶段（200℃～300℃）：残余奥氏体分解。
第三阶段（250℃～400℃）：碳化物的转变。
第四阶段（400℃以上）：渗碳体的聚集长大与α相的再结晶。
表6-3是不同回火组织的性能特点。
 

2．回火工艺
按照回火后性能要求，淬火以后的回火有低温回火，中温回火、高温回火。按照回火温度和工件所要求的性能，一般将回火分为三类。
3．回火脆性
图6-18是随着回火温度的升高，钢的冲击韧性的变化规律。从图中我们可以看出，在250℃～350℃和500℃～650℃钢的冲击韧性明显下降，这种脆化现象称为回火脆性。