第三节　热处理

钢的热处理工艺可分为普通热处理（退火、正火、淬火和回火）、表面热处理（表面淬火和化学热处理）及形变热处理等。

一、退火

退火是将钢加热至临界点以上或以下温度，保温以后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。目的是均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调整硬度，消除内应力和加工硬化，改善钢的成形及切削加工性能，并为淬火做好组织准备。

退火工艺按加热温度不同可分为完全退火、不完全退火和球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火。退火温度示意见图1-4。

完全退火主要用于亚共析钢，是将钢件加热到温度以上20～30℃，经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。完全退火的目的是细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度和改善钢的切削加工性能和冷塑性变形能力。

不完全退火主要用于过共析钢获得球状珠光体组织，是将钢加热至（亚共析钢）或（过共析钢）之间，经保温缓慢冷却以获得近于平衡组织的热处理工艺。不完全退火的目的是降低硬度、消除内应力、改善切削加工性。不完全退火又称为球化退火，实际上球化退火是不完全退火的一种。

球化退火主要用于共析钢、过共析钢和合金工具钢，是将钢中碳化物球化，获得粒状珠光体（图1-5）的一种热处理工艺。球化退火的目的是降低硬度、均匀组织、改善切削加工性，并为淬火做组织准备。过共析钢为片状珠光体和网状二次渗碳体时，不仅硬度高，难以进行切削加工，而且增大了钢的脆性，容易产生淬火变形和开裂。因此，必须进行球化退火，使碳化物球化后获得粒状珠光体。

扩散退火又称均匀化退火，是将铸件等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。扩散退火目的是消除枝晶偏析及区域偏析，使成分均匀化。扩散退火通常为或以上150～300℃，具体加热温度视偏析程度而定。保温时间通常按照钢件的最大有效截面计算，一般不超过15h。

去应力退火是将工件加热到Ac1以下的某个温度，一般在500～650℃之间，保温时间根据工件的截面尺寸和装炉量决定。保温一定时间后缓慢冷却，冷却到150～300℃后出炉，空冷至室温。钢材在热轧或锻造后，在冷却过程中因表面和心部冷却速度不同，造成内外温差会产生残余应力。这种应力和后续工艺因素产生的应力叠加，易使工件发生变形开裂。去应力退火的目的是为了消除锻件、焊接件、热轧件、冷冲件等的残余应力，以提高零件的尺寸稳定，防止变形开裂。

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持适当的时间，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。冷变形钢的再结晶温度和化学成分、形变量等因素有关。一般来说，形变量越大，再结晶温度越低，再结晶退火温度也越低。一般钢材再结晶退火温度为650～700℃，保温时间为1～3h，然后空冷至室温。

二、正火

正火是将钢加热到或以上适当温度，保温以后在空气中冷却到珠光体类组织（图1-6、图1-7）的热处理工艺。正火过程的实质是完全奥氏体化+伪共析转变。与完全退火相比，两者温度相同，但正火冷却速度较快，转变温度较低。因此钢材正火后获得的珠光体组织较细，钢的强度、硬度较高。

正火可以作为预备热处理，为机械加工提供合适的硬度，又能细化晶粒、消除应力、消除魏氏组织和带状组织，为最终热处理提供合格的组织状态。正火还可以作为最终热处理，为某些受力较小、性能要求不高的碳素钢结构零件提供合适的机械性能。

三、淬火

淬火是将钢加热到临界点Ac3或Ac1以上（30～50℃）一定温度，保温以后以大于临界冷却速度的速度冷却，得到马氏体或贝氏体为主的热处理工艺。目的是提高零件的强度、硬度和耐磨性。淬火温度的选择应以获得均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以便淬火后获得细小的马氏体组织。淬火温度过高，组织粗大，韧性下降；淬火温度过低，无法得到马氏体组织。冷却速度过快，应力过大，容易开裂；冷却速度过慢，无法得到马氏体组织。因此适当选择冷却介质才能获得好的淬火效果。淬火冷却介质有水、不同浓度的盐水、各种矿物油等。

淬火过程中会发生形变和尺寸变化，有时甚至要产生淬火裂纹。主要是由于淬火会产生淬火应力，包括热应力和组织应力。热应力是淬火过程中不同位置存在温度差，导致热胀冷缩不一致而产生的应力。组织应力是冷却时由于温度差异造成不同部位组织转变不同而产生的应力。

淬火方法有单液淬火法、双液淬火法、喷射淬火法、分级淬火法、等温淬火法，它们的冷却曲线分别见图1-8。

单液淬火用于形状简单的碳钢和合金钢工件，尺寸较大的碳素钢工件适宜采用双液淬火，喷射淬火主要用于局部淬火，分级淬火只适用于尺寸较小的工件和要求形变量很小的精密工件，等温淬火适宜处理形状复杂、尺寸要求精密的工具和重要的机器零件。

钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力，其大小表示在一定条件下淬火获得的淬透层深度。淬透层深度一般表现为由表面至半马氏体区的深度。

四、回火

回火是将淬火钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当的方式冷却到室温的工艺过程。回火的本质是淬火马氏体分解和碳化物的析出、聚集、长大过程。

回火有低温回火、中温回火和高温回火等几种。低温回火温度为150～250℃，回火组织为回火马氏体（图1-9、图1-10）；中温回火温度为350～500℃，回火组织为回火屈氏体（图1-11）；高温回火温度为500～650℃，回火组织为回火索氏体（图1-12）。淬火+高温回火称为调质处理，经调质处理后，钢材具有优良的综合性能。

随着回火温度的升高，淬火钢的强度、硬度降低，而塑性、韧性增加。但在许多钢中发现，钢的韧性并非随回火温度的升高而连续提高，在某些温度范围内回火后，其韧性反而降低，这种现象称为回火脆性。回火脆性有低温回火脆性和高温回火脆性。

低温回火脆性是指淬火钢在250～400℃之间回火后出现韧性降低，几乎所有工业用钢都有不同程度的低温回火脆性。这是由于从马氏体中析出碳化物，沿着马氏体条间、束的边界或马氏体的孪晶带及晶界析出，并与S、P、Sb、As等有害微量元素在晶界、相界上聚集有关。

高温回火脆性是由于杂质元素S、P、Sb、As等在高温回火时偏聚在原奥氏体晶界上或微裂纹表面上引起的。一般含有Cr、Ni、Mn等合金元素的合金钢淬火后在450～650℃回火后产生韧性下降，是可逆的。