熱處理就是將鋼在固態(tài)下通過加熱、保溫和不同的冷卻方式，改變金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的操作工藝，
作用:它不改變工件的形狀和尺寸，只改變工件的性能，如提高材料的強度和硬度，增加耐磨性，或者改善材料的塑性、韌性和加工性等。      
第一節(jié) 熱處理的基本原理
　　一、鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變
　　(一)鋼在加熱和冷卻時的相變溫度
    鐵碳合金相圖中的A1、A3和Acm 線是反映不同含碳量的鋼在極為緩慢加熱或冷卻時的相變溫度。但鋼在實際加熱和冷卻時不可能非常緩慢，因此，鋼中的相轉(zhuǎn)變不能完全按鐵碳合金相圖中的A1、A3和Acm線，而有一定的滯后現(xiàn)象，即出現(xiàn)過熱(加熱時)或過冷(冷卻時)現(xiàn)象。加熱或冷卻時的速度越大， 組織轉(zhuǎn)變偏離平衡臨界點的程度也越大。為區(qū)別起見，把冷卻時的臨界點記作Ar1、 Ar3 、Arcm；加熱時的臨界點記作Ac1、A1c3、Accm。
    例如，共析鋼在平衡狀態(tài)下珠光體和奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度為A1；冷卻時奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的溫度為Ar1； 加熱時珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度為Ac1。 這些臨界點是正確選擇鋼在熱處理時的加熱溫度和冷卻時結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的溫度的主要依據(jù)。
    (二)奧氏體的形成
    共析鋼在常溫時具有珠光體組織，加熱到Ac1以上溫度時， 珠光體開始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。只有使鋼呈奧氏體狀態(tài)，才能通過不同的冷卻方式轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織，從而獲得所需要的性能。鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變，主要包括奧氏體的形成和晶粒長大兩個過程。
　 在鐵素體和滲碳體的相界面上首先出現(xiàn)許多奧氏體晶核。這是因為鐵素體與滲碳體是兩個具有不同晶體結(jié)構(gòu)的相，在二相界面上有晶格扭曲或原子排列紊亂等缺陷，原子處于高能量狀態(tài)，有利于奧氏體核形成。
    奧氏體晶核形成后，便開始長大。它是依靠鐵素體向奧氏體繼續(xù)轉(zhuǎn)變和滲碳體不斷溶入而進行的。鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的速度比滲碳體溶解快，因此，鐵素體消失后，仍有部分殘余滲碳體，它將隨著時間的延長，繼續(xù)不斷地向奧氏體溶解直至全部消失。在剛形成的奧氏體晶粒中，由于原是滲碳體層地方的碳濃度高于原是鐵素體層地方的碳濃度，必須繼續(xù)保溫通過碳原子擴散才能獲得均勻的奧氏體組織。
    亞共析鋼與過共析鋼加熱時的組織轉(zhuǎn)變過程與共析鋼相似，其差別在于：當亞共析鋼被加熱到Ac1~Ac3之間溫度時，尚有一部分未溶的鐵素體存在。過共析鋼被加熱到Ac1~Accm之間溫度時， 尚有一部分未溶的二次滲碳體存在，即不完全奧氏體化。只有進一步加熱到Ac3或Accm以上并保溫一定時間， 才能獲得單一奧氏體組織。由此可見，保溫不僅是為了使工件熱透，即工件心部達到與表面同樣的溫度，還為了獲得均勻一致的奧氏體組織，以便在冷卻時得到良好的組織和性能。
　　(三)奧氏體晶粒的長大
由于珠光體層比較細密，在向奧氏體轉(zhuǎn)變時形成的晶粒較多，因此，當珠光體剛?cè)哭D(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時，奧氏體晶粒還是很細小的。這和加熱前珠光體晶粒的大小無關。此時將奧氏體冷卻后得到的組織晶粒也細小。如果在形成奧氏體后繼續(xù)升溫或延長保溫時間，都會使奧氏體晶粒逐漸長大。晶粒的長大是依靠較大晶粒吞并較小晶粒和晶界遷移的方式進行的。此時將奧氏體冷卻后得到的組織必然是粗大的。
　　二、鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變
   實際生產(chǎn)中，鋼的熱處理工藝有兩種冷卻方式：
一是等溫冷卻——將加熱到奧氏體的鋼迅速冷卻到臨界溫度以下的某一溫度保溫，進行等溫轉(zhuǎn)變，然后再冷到室溫，如等溫退火、等溫淬火等。
　 二是連續(xù)冷卻——將加熱到奧氏體的鋼，在溫度連續(xù)下降的過程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，如水冷、空冷、爐冷等，如圖19-6所示。
    等溫冷卻方式對研究冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變較為方便?，F(xiàn)以共析鋼為例分析奧氏體在等溫冷卻時的轉(zhuǎn)變。
　　(一)過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線
    圖19-7為共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖，又稱C曲線曲線。在等溫轉(zhuǎn)變開始線的左邊為過冷奧氏體區(qū)，處于尚未轉(zhuǎn)變而準備轉(zhuǎn)變階段，這段時間稱為“孕育期”。在不同等溫溫度下，孕育期的長短不同。對共析鋼來講，過冷奧氏體在等溫轉(zhuǎn)變的“鼻尖”(約550℃)附近等溫時，孕育期最短， 即說明過冷奧氏體最不穩(wěn)定，易分解，轉(zhuǎn)變速度最快。 在高于或低于550℃時，孕育期由短變長，即過冷奧氏體穩(wěn)定性增加，轉(zhuǎn)變速度較慢。轉(zhuǎn)變終了線右邊為轉(zhuǎn)變結(jié)束區(qū)，兩條C曲線之間為轉(zhuǎn)變過渡區(qū)。 在C曲線下面還有兩條水平線：一條是馬氏體開始轉(zhuǎn)變線Ms， 一條是馬氏體轉(zhuǎn)變終了線Mf，在兩條水平線之間為馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。
　　(二)過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織及性能
    根據(jù)共析鋼過冷奧氏體在不同溫度區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和性能的不同，可分為高溫、中溫及低溫轉(zhuǎn)變區(qū)，即珠光體型、貝氏體型和馬氏體型的轉(zhuǎn)變。
1、 高溫等溫轉(zhuǎn)變區(qū)——珠光體型轉(zhuǎn)變
    共析鋼的過冷奧氏體在Ar1 ～550℃(鼻溫)溫度范圍內(nèi)，將發(fā)生奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變。由于轉(zhuǎn)變溫度較高,原子有足夠的擴散能力，能全部等溫分解，最終形成鐵素體+滲碳體組成的機械混合物，即珠光體型組織。在此溫度范圍內(nèi)，由于過冷度不同，所得到珠光體的層片厚薄、性能也有不同。為區(qū)別起見分為以下三類：
(1)在Ar1～650℃之間，由于過冷度較高， 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為粗片狀鐵素體+粗片狀滲碳體，即珠光體組織。          
　　(2)在650～600℃之間，由于過冷度較大，生核較多， 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為層片較薄的鐵素體和滲碳體交替而成的珠光體，只有在高倍(1000倍左右)光學顯微鏡下才能分辨出片層。這種組織為細珠光體，也稱為索氏體，用符號S表示
    (3)在600～550℃之間，過冷度更大。轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物為層片極薄的鐵素體和滲碳體交替而成的珠光體，即使在高倍光學顯微鏡下也無法分辨出珠光體，也稱為屈氏體，
珠光體、索氏體和屈氏體實際上都是鐵素體和滲碳體的機械混合物，僅片層粗細不同，并無本質(zhì)差異。
其力學性能主要取決于片層間距離。片層間距越小，則強度、硬度越高，塑性和韌性也有所改善。
　　2.中溫等溫轉(zhuǎn)變區(qū)——貝氏體型轉(zhuǎn)變
    轉(zhuǎn)變溫度在C曲線鼻尖至Ms點之間，即550～230 ℃的溫度范圍。轉(zhuǎn)變特點是過冷度大，雖有α-Fe晶格結(jié)構(gòu)， 但由于轉(zhuǎn)變溫度較低，碳擴散能力減弱，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物由含碳量過飽和鐵素體和微小的滲碳體混合而成。這種組織稱為貝氏體，用符號B表示。
在貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域，根據(jù)轉(zhuǎn)變溫度不同，可分為上和下貝氏體兩種。
    (1)在550～350℃之間，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物在光學顯微鏡下呈羽毛狀，如圖19-9(a)所示。鐵素體形成許多密集而互相平行的扁片，其間斷斷續(xù)續(xù)分布著滲碳體顆粒，但強度低，塑性差，脆性大，生產(chǎn)上很少采用。
    (2)在350℃～Ms之間，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物在光學顯微鏡下呈黑色竹葉狀，如圖19-9(b)所示。鐵素體形成竹葉狀，其內(nèi)分布著極細小的滲碳體顆粒，這種組織為下貝氏體(B下,)
    總之，貝氏體的碳化物不是連續(xù)分布，而是由許多細顆?；虮∑蕯嗬m(xù)分布。其次，貝氏體中的鐵素體碳濃度高于珠光體，呈過飽和固溶狀態(tài)。
    與上貝氏體比較，下貝氏體有較高的硬度和強度，同時塑性、韌性也較好，并有高的耐磨性。因此，生產(chǎn)中常采用等溫淬火的方法來獲得下貝氏體組織。
　　3.低溫轉(zhuǎn)變區(qū)——馬氏體型轉(zhuǎn)變
    轉(zhuǎn)變溫度在Ms及Mf之間。轉(zhuǎn)變特點是：過冷度極大，轉(zhuǎn)變溫度很低，碳原子和鐵原子的動能很小，都不能擴散。所以，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，只發(fā)生γ-Fe→α-Fe的晶格改組，即鐵原子作短距離的移動，而無碳原子的擴散，全部被迫過量地固溶在α-Fe 晶格中。碳在α-Fe中的溶解度很小，常溫只有0.008?，從而形成一種過飽和的固溶組織。這種碳在α-Fe中的過飽和固溶體稱為馬氏體，用符號M表示。，熱處理中的淬火就是為了得到這種組織。
共析鋼奧氏體過冷到230℃(Ms)時，開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體， 隨著溫度下降，馬氏體逐漸增多，過冷奧氏體不斷減少，直至-50℃(Mf)時，過冷奧氏體才全部轉(zhuǎn)變成馬氏體。所以Ms與Mf 之間的組織為馬氏體和殘余奧氏體。
三、等溫轉(zhuǎn)變曲線在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變中的應用
    在熱處理生產(chǎn)中，通常采用連續(xù)冷卻的方式，如爐冷、空冷、水冷等。因為連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線測定較難，生產(chǎn)中常用等溫轉(zhuǎn)變曲線定性地估計連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變，即將連續(xù)冷卻時的冷卻速度線畫在等溫曲線圖上。
    根據(jù)冷卻速度線和等溫曲線相交位置，大致可估計出產(chǎn)物可能得到的組織和性能，對制定熱處理工藝有重要意義。圖19-11為共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線圖上，估計連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的情況。
圖中V1<V2<V3<V4，它們分別表示不同冷卻速度的冷卻曲線。
V1——相當于爐冷(退火)情況。它與C曲線相交于700～650℃，估計轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為粗片狀珠光體。
V2——相當于空冷(正火)情況。它與C曲線相交于650～600℃，估計轉(zhuǎn)變后產(chǎn)物為細片狀珠光體，即索氏體。
V3——相當于油冷(淬火)情況，它只與C 曲線開始轉(zhuǎn)變線相交于鼻尖附近，隨后又與Ms線相交，估計轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為屈氏體和馬氏體。
    V4——相當于水冷(淬火)情況，它不與C曲線相交，而直接與Ms 相交并繼續(xù)冷卻，估計它的組織為馬氏體和殘余奧氏體。
    Vk(V臨)——冷卻速度曲線恰恰與C曲線相切， 這是由奧氏體直接得到馬氏體的最小冷卻速度，稱為臨界冷卻速度。凡是大于Vk的冷卻速度都可以轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。
    連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變由于是在一個溫度范圍內(nèi)進行的，往往得到混合組織，如珠光體＋索氏體，屈氏體＋馬氏體等。而過冷奧氏體在等溫轉(zhuǎn)變時只轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏慕M織。

第二節(jié) 退火與正火

    在工廠里各種機器零件和工具一般都要經(jīng)過如下的過程：
    選原料——鍛造——預先熱處理——機械加工——最后熱處理
退火和正火經(jīng)常作為鋼的預先熱處理工序，安排在鑄造、鍛造和焊接之后或粗加工之前，以消除前一工序所造成的某些組織缺陷及內(nèi)應力，為隨后的切削加工及熱處理作好組織準備。對于某些不太重要的工件，退火和正火也可作為最終熱處理工序。
　　一、退火
    退火是將鋼加熱到高于或低于臨界溫度，保溫一段時間后，然后緩慢冷卻(如隨爐或埋入導熱性能較差的介質(zhì)中)，從而獲得接近于平衡組織的一種熱處理工藝。
    由于退火可獲得接近平衡狀態(tài)的組織，故與其它熱處理工藝比較，退火鋼的硬度最低，內(nèi)應力可全部消除，可提高鋼材冷變形后的塑性，又由于退火過程中發(fā)生重結(jié)晶，故可細化晶粒，改善組織，所以退火可以達到各個不同的目的。
    根據(jù)鋼的成分和退火目的不同，主要的退火工藝有：完全退火、球化退火和去應力退火等。
　　1.完全退火
    將亞共析鋼工件加熱到Ac3以上（30～50）℃，保溫一定時間， 然后緩慢冷卻下來的熱處理工藝稱為完全退火，又稱為重結(jié)晶退火。
    由于奧氏體進行全部的重結(jié)晶，故稱為完全退火。它是應用最廣泛的退火方法，主要用于亞共析鋼的鑄件、鍛件、熱軋件有時也用于焊件。其目的是通過重結(jié)晶使晶粒細化，均勻組織，消除應力，降低硬度，以利于切削加工。
    完全退火不能用于過共析鋼，因為加熱到Accm以上再緩慢冷卻時會析出網(wǎng)狀滲碳體，使鋼的機械性能變壞。
　　2.球化退火
    是將過共析鋼工件加熱到Ac1以上（20～30）℃，保溫后， 以極慢的冷速通過A1，使P中的滲碳體和二次滲碳體成為球狀或粒狀， 球化退火加熱時，未完全奧氏體化，因此屬于不完全退火。
    由于硬而脆的網(wǎng)狀滲碳體存在，在切削加工時，對刀具磨損很大，同時還增加了淬火時變形及開裂的傾向。因此球化退火可使鋼中碳化物呈球狀化，以降低硬度，改善切削加工性能，并為以后的淬火做好組織準備。
    為了便于球化過程的進行，對于網(wǎng)狀嚴重的過共析鋼，應在球化退火之前進行一次正火，以消除網(wǎng)狀滲碳體。
　　3.去應力退火
    如果只是單純?yōu)榱讼齼?nèi)應力，則用去應力退火，又稱低溫退火，消除鑄件、鍛件、焊接件、熱軋件、冷拉件等的殘余內(nèi)應力，以避免在使用或隨后的加工過程中產(chǎn)生變形或開裂。
    去應力退火的加熱溫度為（500～650）℃，經(jīng)適當保溫后，隨爐緩冷到（200～300）℃以下，最后出爐在空氣中冷卻。由此可見，去應力退火是在A1以下進行的，組織并未發(fā)生變化，主要的作用是在緩慢冷卻的過程中，使工件各部分均勻冷卻和收縮，這樣就不會產(chǎn)生內(nèi)應力了。
　　二、正火
    正火是將鋼加熱到Ac3(亞共析鋼)或Accm(過共析鋼)以上（30～50）℃的溫度，保溫后從爐中取出在空氣中冷卻的一種操作方法。
    正火的冷卻速度較退火快些，所得到的組織較細，即珠光體組織的片層間距較小，強度和硬度較高。因此正火對于亞共析鋼主要是細化晶粒，均勻組織，提高機械性能，對于力學性能要求不高的普通結(jié)構(gòu)零件，正火可作為最終熱處理；對于低中碳結(jié)構(gòu)鋼，由于硬度偏低，在切削加工時易產(chǎn)生“粘刀”現(xiàn)象，增大表面粗糙度，正火的主要目的是提高硬度，改善切削加工性能，高碳鋼則應采用退火；對于過共析鋼，由于正火冷卻速度較快，使鋼中滲碳體沿晶界析出不能形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而是呈斷續(xù)的鏈條狀分布，有利于球化退火，為淬火作組織準備。
此外，正火是在爐外冷卻，不占用加熱設備，生產(chǎn)周期比退火短，生產(chǎn)效率高，能量消耗少，工藝簡單、經(jīng)濟，所以，低碳鋼多采用正火來代替退火。
    各種退火和正火的加熱溫度范圍如圖19-12所示。

第三節(jié) 淬火

    將鋼加熱到Ac3(亞共析鋼)或Ac1(過共析鋼)以上（30～50）℃，保溫后在水或油中快速冷卻的操作工藝稱為淬火
　　一、淬火目的
    淬火的目的一般都是為了獲得馬氏體組織，隨后再配合適當?shù)幕鼗?，以獲得多種多樣的使用性能。如刃具和量具要求有高的硬度和耐磨性，各種軸和齒輪等要求有較好的強韌性等，都是通過淬火和回火來達到的，淬火回火通常作為最終熱處理。
　　二、淬火的工藝
　　(一)淬火溫度
    碳鋼的加熱溫度主要是由鋼中的含C量根據(jù)Fe-Fe3C相圖來確定的，如圖19-13所示為碳鋼的淬火加熱溫度范圍。
對于亞共析鋼，適宜的淬火溫度為Ac3＋（30～50）℃， 淬火后獲得均勻細小的馬氏體組織。如將亞共析鋼加熱溫度過低(于Ac1～Ac3之間)，在淬火組織中將出現(xiàn)鐵素體，這樣將造成淬火硬度不足。若將亞共析鋼加熱遠遠超過Ac3以上，將使A晶粒長大，淬火后得到粗大M，使鋼性能下降， 但對于某些合金鋼為了使其中合金元素完全溶于A中，溫度可適當提高。
    對于過共析鋼，適宜的淬火溫度為Ac1＋（30～50）℃， 淬火后的組織為馬氏體和粒狀二次滲碳體。滲碳體比馬氏體硬，有利于提高鋼的耐磨性。如果加熱溫度過高(在Accm以下)，不僅會得到粗片狀馬氏體組織，脆性極大，而且由于奧氏體含碳量過高，使淬火鋼中殘余奧氏體量增多，使鋼的硬度和耐磨性降低。若淬火溫度過低，則可能得到非馬氏體組織，鋼的硬度達不到要求。
　　(二)淬火冷卻介質(zhì)
    淬火操作的難度比較大，主要是因為要得到馬氏體，淬火的冷卻速度就必須大于該鋼種的臨界冷卻速度，而快冷總是不可避免地要造成很大的內(nèi)應力，往往會引起鋼件的變形和開裂。
    根據(jù)C曲線可知，要獲得馬氏體組織， 并不需要在整個冷卻過程中都進行快速冷卻。關鍵是在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的C 曲線鼻尖附近，即在（650～400）℃的溫度范圍內(nèi)要快速冷卻，而在650℃以上以及400℃以下，過冷奧氏體較穩(wěn)定，并不需要快速冷卻， 特別是在（300～200）℃以下發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時，尤其不能快冷，否則因相變應力作用容易引起變形和開裂。根據(jù)上述要求，冷卻介質(zhì)對鋼的理想淬火冷卻速度應是“慢--快--慢”。
    實際上，還沒有找到一種淬火劑能符合這一理想淬火冷卻速度。生產(chǎn)中常用的冷卻介質(zhì)有水、水溶液、油等。
    水在（650～400）℃范圍內(nèi)冷速很大，保證工件獲得馬氏體組織，但在300℃以下冷卻能力仍然很強，工件易發(fā)生變形和開裂， 這是水的最大弱點。故水一般用于形狀簡單碳鋼件的淬火。
    鹽水冷卻能力比一般清水還強，因為工件表面的結(jié)晶鹽發(fā)生爆炸，破壞了包圍工件的蒸汽膜，有利于散熱。
    油類淬火劑多為礦物油，油在（650～550）℃之間冷卻能力較弱，僅為水的1/4，不利于碳鋼的淬硬，但它在（300～200）℃范圍內(nèi)冷卻速度比水小得多，相變應力小，故油一般用于合金鋼或小尺寸碳鋼件的淬火。
    常用淬火冷卻介質(zhì)的冷卻性能如表19-2所示。
　　(三)常用的淬火方法
    由于淬火冷卻介質(zhì)不能完全滿足要求，除不斷探索新淬火劑外，還必須從淬火方法上加以解決，即利用現(xiàn)有各種淬火劑的不同特點，揚長避短，以保證淬火質(zhì)量。
　　1.單液淬火法
    將加熱的工件放入一種淬火介質(zhì)中連續(xù)冷卻至室溫的操作方法。碳鋼放在水中淬火，合金鋼在油中淬火，如圖19-15a所示。
這種淬火法操作簡單，易實現(xiàn)機械化與自動化，適用于形狀簡單的工件，但此法水冷變形大，油冷難淬硬，可將油、水雙冷結(jié)合起來進行如下的雙液淬火。
　　2.雙液淬火法
    將加熱的碳鋼先在水或鹽水中冷卻，冷到（300～400）℃時迅速移入油中冷卻，這種水淬油冷的方法稱為雙液淬火法，如圖19-15b 所示。此法既可使工件淬硬，又能減少淬火的內(nèi)應力，有效地防止產(chǎn)生淬火裂紋，主要用于形狀復雜的高碳工具鋼，如絲錐、板牙等。缺點是操作困難，技術要熟練。
　　3.分級淬火法
    分級淬火法是把加熱好的工件先投入溫度稍高于Ms點的鹽浴或堿中快速冷卻停留一段時間，待其表面與心部達到介質(zhì)溫度后取出空冷，使之發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變， 它比雙液淬火進一步減少了應力和變形，而且操作較易。但由于鹽浴、堿浴的冷卻能力較小，故只適用于形狀較復雜、尺寸較小的工作。
　　4.等溫淬火法
    此法與分級淬火法相類似，只是在鹽浴或堿浴中的保溫時間要足夠長，使過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變?yōu)橛懈邚婍g性的下貝氏體組織，然后取出空冷。等溫淬火由于淬火內(nèi)應力小，能有效地防止變形和開裂，但此法缺點是生產(chǎn)周期較長又要一定設備，常用于薄、細而形狀復雜的尺寸要求精確，并且要求強韌性高的工件，如成型刀具、模具和彈簧等。
　　三、鋼的淬透性概念
    鋼的淬透性是指鋼在淬火時獲得馬氏體的能力。如果工件整個截面都能得到馬氏體，說明工件已淬透。但有時工件表面冷卻速度大就得到馬氏體組織，而越往心部冷卻速度越小就得到非馬氏體組織。凡是冷卻速度大于臨界冷卻速度的才能得到馬氏體組織，小于臨界冷卻速度的就是非馬氏體組織了，如圖19-16所示。
    淬透性是指鋼獲得淬硬層深度的能力。按理，淬硬層的深度應該是全淬成馬氏體的深度，但實際上，當鋼的淬火組織中有少量非馬氏體(如托氏體)時，硬度值并不明顯變化，金相檢驗也較困難。因此一般規(guī)定從工件表層深入到半馬氏體區(qū)(馬氏體與非馬氏體組織各占一半的地方易測定硬度)的深度為淬硬層深度。淬硬層越深，就表明鋼的淬透性越好，如果淬硬層深度達到心部，則表明該鋼全部淬透。
    鋼的淬透性好壞對機械性能影響很大，當工件整個截面都淬透時，回火后表面和心部得到完全一致的機械性能。若不能全部淬透，表面和心部的組織不同，經(jīng)回火后的性能就不一致，未淬透部分的屈服強度、沖擊韌性會顯著下降。
    生產(chǎn)實踐表明，并非所有的機械零件都必須完全淬透。例如，承受彎、扭應力的軸類零件，表面熱處理的零件等，只需要一定深度的淬硬層就已滿足使用要求，就可選用低淬透性的鋼，不必強調(diào)全部淬透。
    鋼的淬透性主要決定于臨界冷卻速度，臨界冷卻速度越小，過冷奧氏體越穩(wěn)定，鋼的淬透性就越好，反之，則降低鋼的淬透性。因此，除Co以外，大多數(shù)合金元素都能顯著提高鋼的淬透性。
    應當指出，鋼的淬透性與淬硬性是兩個不同的概念。淬硬性指淬火后獲得的最高硬度，主要取決于馬氏體中的含碳量。淬透性好的鋼，它的淬硬性不一定高。如高碳工具鋼與低碳合金鋼相比，前者淬硬性高但淬透性低，后者淬硬性低但淬透性高。

第四節(jié)   回火

    經(jīng)過淬火后的鋼應及時進行回火，以保證達到所需要的性能要求。工件淬火后，其性能是硬而脆，并存在著由于冷卻過快而造成的內(nèi)應力，往往會引起工件變形甚至開裂的危險。
回火就是將淬火的鋼重新加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一段時間，然后置于空氣或水中冷卻。
　　一、回火的目的
　　1.降低淬火鋼的脆性和內(nèi)應力，防止變形或開裂。
　　2.調(diào)整和穩(wěn)定淬火鋼的結(jié)晶組織以保證工件不再發(fā)生形狀和尺寸的改變。
　　3.獲得不同需要的機械性能，通過適當?shù)幕鼗饋慝@得所要求的強度、硬度和韌性，以滿足各種工件的不同使用要求，淬火鋼經(jīng)回火后，其硬度隨回火溫度的升高而降低，回火，一般也是熱處理的最后一道工序。
　　二、回火時組織與性能的變化
    淬火鋼中的馬氏體及殘余奧氏體都是不穩(wěn)定的組織，具有向穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變的自發(fā)傾向。隨回火溫度的升高，鋼的組織也相應發(fā)生以下四個階段的轉(zhuǎn)變：
　　第一階段：馬氏體的分解(100～250)℃
在（100～200）℃時，馬氏體開始分解，固溶在馬氏體中的過飽和碳原子部分以極細的ε碳化物(即ε-Fe2.4C)的形式析出， 使過飽和度降低。這種由極細的ε-Fe2.4C 和低過飽和度的α相組成的組織，稱為回火馬氏體。如圖19-17所示。因為它較淬火馬氏體易腐蝕，故顯微組織為暗黑色。馬氏體這一分解過程一直進行到約350℃。
　　第二階段：殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變(200～300)℃
    當溫度超過200℃時，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成為回火馬氏體， 馬氏體繼續(xù)分解，溶碳量更低，到300℃，殘余奧氏體的分解基本結(jié)束。
　　第三階段：滲碳體的形成(250～400)℃
    當溫度超過250℃時，回火馬氏體中的ε-Fe2.4C轉(zhuǎn)變成為薄片狀Fe3C，馬氏體本身也變?yōu)殍F素體。這時的組織稱為回火托氏體。如圖19-18所示。它是由針狀鐵素體和薄片狀滲碳體組成的。它是由針狀鐵素體和薄片狀滲碳體組成的。
　　第四階段：滲碳體的聚集長大和α相再結(jié)晶(400℃以上)
    滲碳體在400℃以上逐漸聚集長大，形成較大的粒狀滲碳體， 同時，在450℃以上，針狀鐵素體再結(jié)晶為多邊鐵素體， 內(nèi)應力與晶格歪扭完全消除。這種粒狀Fe3C與多邊狀鐵素體的組織，稱為回火索氏體，如圖19-19所示。
    淬火鋼回火時的組織變化，必然導致性能的變化。即隨著回火溫度升高，強度、硬度下降，而塑性、韌性上升。如圖19-20所示。
　　三、回火的種類及應用
    根據(jù)工件的不同性能要求，按其回火溫度的范圍，可將回火大致分為以下三種：
　　1.低溫回火(150～250)℃
    低溫回火的組織為回火馬氏體。這種回火主要是為了降低淬火鋼的應力和脆性，提高韌性，而保持高硬度和耐磨性。它主要用于各類高碳鋼的刀具、冷作模具、量具；滾動軸承；滲碳或表面淬火件等。
　　2.中溫回火(350～500)℃
    中溫回火的組織為回火托氏體。這種回火可顯著減少工件的淬火應力，具有較高的彈性極限和屈服極限，并有一定的韌性。它主要應用于各種彈簧、彈性夾頭及鍛模的處理。
　　3.高溫回火(500～650)℃
    高溫回火的組織為回火索氏體。這種回火可使工件獲得強度、硬度、塑性和韌性都較好的綜合機械性能。淬火后高溫回火的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理，簡稱調(diào)質(zhì)，常用于受力情況復雜的重要零件，如各種軸類、齒輪、連桿等。
    以上各溫度范圍中看出，沒有在（250～350）℃進行回火，因為這正是鋼容易發(fā)生低溫回火脆性的溫度范圍，應避開。