第三節　熱處理

鋼的熱處理工藝可分為普通熱處理（退火、正火、淬火和回火）、表面熱處理（表面淬火和化學熱處理）及形變熱處理等。

一、退火

退火是將鋼加熱至臨界點以上或以下溫度，保溫以后隨爐緩慢冷卻以獲得近于平衡狀態組織的熱處理工藝。目的是均勻鋼的化學成分及組織，細化晶粒，調整硬度，消除內應力和加工硬化，改善鋼的成形及切削加工性能，并為淬火做好組織準備。

退火工藝按加熱溫度不同可分為完全退火、不完全退火和球化退火、擴散退火、去應力退火、再結晶退火。退火溫度示意見圖1-4。

完全退火主要用于亞共析鋼，是將鋼件加熱到溫度以上20～30℃，經完全奧氏體化后進行緩慢冷卻，以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。完全退火的目的是細化晶粒、均勻組織、消除內應力、降低硬度和改善鋼的切削加工性能和冷塑性變形能力。

不完全退火主要用于過共析鋼獲得球狀珠光體組織，是將鋼加熱至（亞共析鋼）或（過共析鋼）之間，經保溫緩慢冷卻以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。不完全退火的目的是降低硬度、消除內應力、改善切削加工性。不完全退火又稱為球化退火，實際上球化退火是不完全退火的一種。

球化退火主要用于共析鋼、過共析鋼和合金工具鋼，是將鋼中碳化物球化，獲得粒狀珠光體（圖1-5）的一種熱處理工藝。球化退火的目的是降低硬度、均勻組織、改善切削加工性，并為淬火做組織準備。過共析鋼為片狀珠光體和網狀二次滲碳體時，不僅硬度高，難以進行切削加工，而且增大了鋼的脆性，容易產生淬火變形和開裂。因此，必須進行球化退火，使碳化物球化后獲得粒狀珠光體。

擴散退火又稱均勻化退火，是將鑄件等加熱至略低于固相線的溫度下長時間保溫，然后緩慢冷卻以消除化學成分不均勻現象的熱處理工藝。擴散退火目的是消除枝晶偏析及區域偏析，使成分均勻化。擴散退火通常為或以上150～300℃，具體加熱溫度視偏析程度而定。保溫時間通常按照鋼件的最大有效截面計算，一般不超過15h。

去應力退火是將工件加熱到Ac1以下的某個溫度，一般在500～650℃之間，保溫時間根據工件的截面尺寸和裝爐量決定。保溫一定時間后緩慢冷卻，冷卻到150～300℃后出爐，空冷至室溫。鋼材在熱軋或鍛造后，在冷卻過程中因表面和心部冷卻速度不同，造成內外溫差會產生殘余應力。這種應力和后續工藝因素產生的應力疊加，易使工件發生變形開裂。去應力退火的目的是為了消除鍛件、焊接件、熱軋件、冷沖件等的殘余應力，以提高零件的尺寸穩定，防止變形開裂。

再結晶退火是把冷變形后的金屬加熱到再結晶溫度以上保持適當的時間，使變形晶粒重新轉變為均勻等軸晶粒而消除加工硬化的熱處理工藝。冷變形鋼的再結晶溫度和化學成分、形變量等因素有關。一般來說，形變量越大，再結晶溫度越低，再結晶退火溫度也越低。一般鋼材再結晶退火溫度為650～700℃，保溫時間為1～3h，然后空冷至室溫。

二、正火

正火是將鋼加熱到或以上適當溫度，保溫以后在空氣中冷卻到珠光體類組織（圖1-6、圖1-7）的熱處理工藝。正火過程的實質是完全奧氏體化+偽共析轉變。與完全退火相比，兩者溫度相同，但正火冷卻速度較快，轉變溫度較低。因此鋼材正火后獲得的珠光體組織較細，鋼的強度、硬度較高。

正火可以作為預備熱處理，為機械加工提供合適的硬度，又能細化晶粒、消除應力、消除魏氏組織和帶狀組織，為最終熱處理提供合格的組織狀態。正火還可以作為最終熱處理，為某些受力較小、性能要求不高的碳素鋼結構零件提供合適的機械性能。

三、淬火

淬火是將鋼加熱到臨界點Ac3或Ac1以上（30～50℃）一定溫度，保溫以后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻，得到馬氏體或貝氏體為主的熱處理工藝。目的是提高零件的強度、硬度和耐磨性。淬火溫度的選擇應以獲得均勻細小的奧氏體晶粒為原則，以便淬火后獲得細小的馬氏體組織。淬火溫度過高，組織粗大，韌性下降；淬火溫度過低，無法得到馬氏體組織。冷卻速度過快，應力過大，容易開裂；冷卻速度過慢，無法得到馬氏體組織。因此適當選擇冷卻介質才能獲得好的淬火效果。淬火冷卻介質有水、不同濃度的鹽水、各種礦物油等。

淬火過程中會發生形變和尺寸變化，有時甚至要產生淬火裂紋。主要是由于淬火會產生淬火應力，包括熱應力和組織應力。熱應力是淬火過程中不同位置存在溫度差，導致熱脹冷縮不一致而產生的應力。組織應力是冷卻時由于溫度差異造成不同部位組織轉變不同而產生的應力。

淬火方法有單液淬火法、雙液淬火法、噴射淬火法、分級淬火法、等溫淬火法，它們的冷卻曲線分別見圖1-8。

單液淬火用于形狀簡單的碳鋼和合金鋼工件，尺寸較大的碳素鋼工件適宜采用雙液淬火，噴射淬火主要用于局部淬火，分級淬火只適用于尺寸較小的工件和要求形變量很小的精密工件，等溫淬火適宜處理形狀復雜、尺寸要求精密的工具和重要的機器零件。

鋼的淬透性是指奧氏體化后的鋼在淬火時獲得馬氏體的能力，其大小表示在一定條件下淬火獲得的淬透層深度。淬透層深度一般表現為由表面至半馬氏體區的深度。

四、回火

回火是將淬火鋼在A1以下溫度加熱，使其轉變為穩定的回火組織，并以適當的方式冷卻到室溫的工藝過程。回火的本質是淬火馬氏體分解和碳化物的析出、聚集、長大過程。

回火有低溫回火、中溫回火和高溫回火等幾種。低溫回火溫度為150～250℃，回火組織為回火馬氏體（圖1-9、圖1-10）；中溫回火溫度為350～500℃，回火組織為回火屈氏體（圖1-11）；高溫回火溫度為500～650℃，回火組織為回火索氏體（圖1-12）。淬火+高溫回火稱為調質處理，經調質處理后，鋼材具有優良的綜合性能。

隨著回火溫度的升高，淬火鋼的強度、硬度降低，而塑性、韌性增加。但在許多鋼中發現，鋼的韌性并非隨回火溫度的升高而連續提高，在某些溫度范圍內回火后，其韌性反而降低，這種現象稱為回火脆性。回火脆性有低溫回火脆性和高溫回火脆性。

低溫回火脆性是指淬火鋼在250～400℃之間回火后出現韌性降低，幾乎所有工業用鋼都有不同程度的低溫回火脆性。這是由于從馬氏體中析出碳化物，沿著馬氏體條間、束的邊界或馬氏體的孿晶帶及晶界析出，并與S、P、Sb、As等有害微量元素在晶界、相界上聚集有關。

高溫回火脆性是由于雜質元素S、P、Sb、As等在高溫回火時偏聚在原奧氏體晶界上或微裂紋表面上引起的。一般含有Cr、Ni、Mn等合金元素的合金鋼淬火后在450～650℃回火后產生韌性下降，是可逆的。