钢的退火、正火、淬火、回火是应用非常广泛的热处理工艺，也叫钢的常规热处理。在机器零件制造过程中，退火和正火经常作为预备热处理，被安排在锻造或铸造之后，切削加工之前，用以消除前一工序所带来的某些缺陷，改善切削加工性能，并影响随后淬火时的变形、开裂倾向以及最终的组织与性能；钢的淬火与回火是紧密相连的两个工艺过程，只有相互配合才能收到良好的热处理效果。一般淬火与回火常作为最终热处理。
1）退火
把钢加热到适当的温度，保持一定的时间，然后缓慢冷却的热处理工艺，称为退火。与其他热处理相比，退火的主要特点是钢在加热、保温后，冷却缓慢，通常是随炉冷却。
在一般情况下，退火是属于半成品热处理，也称预备热处理。它往往被安排在锻造或铸造之后，切削加工之前。例如，锉刀（常用材料是T12）的工艺路线是：锻造→退火→机加工→淬火、低温回火→成品。对于一些要求不是很高的工件（如手轮、床身等），退火也可作为最终热处理。
根据退火的目的和工艺特点来分，常见退火方法有完全退火、球化退火、去应力退火和再结晶退火。
（1）完全退火。将工件加热到Ac3以上，保温一定时间，使其完全转变成奥氏体并均匀化，然后缓慢冷却的退火方法叫完全退火。
完全退火的目的是：①细化晶粒，提高钢的力学性能；②消除应力，防止钢件变形；③降低硬度，利于切削加工。
完全退火的加热温度为Ac3＋（30～50）℃，保温后，随炉缓慢冷却。为提高效率，温度降至500℃时，工件可出炉空冷。
完全退火主要用于亚共析钢，不能用于过共析钢。因为过共析钢完全奥氏体化后，在缓慢冷却中会析出网状渗碳体，使钢的力学性能变差。
（2）球化退火。将钢加热到Ac1以上，保温一定时间，使钢中的碳化物变成球状的退火方法。
球化退火的目的是：①降低硬度，改善加工性能；②为淬火作好组织准备，提高工件淬火、回火后的耐磨性。
球化退火的加热温度为Ac1＋（20～30）℃，保温后，随炉缓慢冷却，获得球状珠光体组织。
在球状珠光体中，渗碳体呈球状小颗粒均匀分布在铁素体基体上，使其硬度比片状珠光体低，有利于改善高碳钢件的切削加工性。
球化退火主要用于共析钢及过共析钢。如果过共析钢中有较多的网状渗碳体，应先进行正火后才能进行球化退火。
（3）去应力退火。将钢加热到略低于A1的一定温度，保温后缓慢冷却的退火方法叫去应力退火。
去应力退火的目的是：消除铸造件、锻压件和焊接件内存在的残余应力，减小零件在加工和使用过程中的变形或开裂。
去应力退火通常将工件加热到500～650℃，保温足够时间后随炉缓冷至200～300℃，出炉空冷。由于加热温度低于A1，钢的组织不发生改变。
（4）再结晶退火。将经过冷加工（如冷轧、冷拔和冷冲压）变形而产生加工硬化的钢材，加热到A1以下某一温度（碳钢一般在650～700℃），保温后缓冷的工艺过程。
再结晶退火一般用于两次冷加工变形之间，通过再结晶退火，使产生加工硬化的变形晶粒重新生核和长大，消除加工硬化和内应力，获得变形前的组织结构，从而使硬度、强度显著下降，塑性、韧性大大提高，为继续进行冷加工变形做好准备。
2）正火
将钢加热到Ac3或Accm以上30～50℃，保温后在空气中冷却的热处理工艺，称为正火。正火的主要特点是钢在加热、保温后，在空气中冷却，冷却速度较炉冷快。
正火的目的是细化晶粒、调整硬度、消除网状渗碳体，为淬火、球化退火等作好组织准备。通过正火细化晶粒，钢的韧性可显著改善。对于低碳钢，可提高硬度以改善切削加工性。由于正火的冷却速度比退火快，正火钢件的强度和硬度比退火钢件高，对于一些性能要求不高的零件，正火可作为最终热处理。
正火与退火的目的大致相同，在实际使用时可以从以下三方面考虑：
（1）从切削加工性考虑，一般中、低碳钢（wC≤0.45）宜用正火提高硬度，高碳钢宜用退火降低硬度。
（2）从使用性能上考虑，对于性能要求不高的零件，用正火作为最终热处理可降低成本。
（3）从经济上考虑，正火比退火生产周期短，成本低，故在可能的条件下，应优先采用正火。
各种退火和正火的加热温度范围见图1-25。
3）淬火
将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温后以大于临界冷却速度的冷速急剧冷却，获得以高硬度马氏体为主的不稳定组织的热处理工艺，称为淬火。
淬火通常是为了获得马氏体，再配以适当的回火，使钢件具备良好的使用性能，并充分发挥材料的潜力。其主要目的是：①提高零件的机械性能。例如，提高工具、轴承的硬度和耐磨性；提高弹簧的弹性极限；提高轴类零件的综合力学性能等。②改善某些特殊钢的性能。例如，提高不锈钢的耐蚀性；提高高锰钢的耐磨性等。
（1）淬火加热温度
亚共析钢的淬火加热温度一般为Ac3＋（30～50）℃。将亚共析钢加热到此温度，可获得细小的奥氏体晶粒，冷却后则获得细小的马氏体组织。如果加热温度过高，则获得粗大的马氏体，同时引起较严重的热处理变形。如果加热温度在Ac1～Ac3之间，将获得铁素体和奥氏体，冷却后的淬火组织中会出现铁素体，造成硬度不足和不均匀。
图1-25 各种退火和正火的加热温度范围
图1-26 碳素钢的淬火加热温度范围
共析钢和过共析钢的淬火加热温度一般为Ac1＋（30～50）℃。将共析钢和过亚共析钢加热到此温度，组织为奥氏体和少量的渗碳体，冷却后则获得细小的马氏体和粒状渗碳体组织。渗碳体能提高钢的硬度和耐磨性。如果加热温度超过Accm，则冷却后获得粗大的马氏体，增加钢的脆性，并且由于渗碳体的消失，使钢的硬度和耐磨性降低。如果加热温度过低，可能得到非马氏体组织，使钢的硬度达不到要求。
碳素钢淬火加热温度范围如图1-26所示。(www.xing528.com)
（2）淬火冷却
淬火要求得到马氏体，因此淬火的冷却速度就必须大于临界冷却速度（vk），而快冷总是不可避免地要造成很大的内应力，引起钢的变形甚至开裂。淬火冷却速度越大，淬火内应力就越大，钢件变形、开裂的倾向也越大。很显然，在保证淬硬的前提下，淬火冷却速度应慢些。为此，淬火冷却时应选择合适的淬火介质和淬火方法。
①冷却介质。根据碳钢的冷却C曲线可知，过冷奥氏体在650～400℃之间分解最快，因此只需在这一温度区间内快冷，而在这以上和以下的温度区间内并不要求快冷。在Ms点以下反而要求冷却缓慢些，以防止淬火变形和开裂。目前生产中应用较广的冷却介质是水和油。
水在650～400℃之间冷速很大，这对奥氏体稳定性较小的碳钢来说是非常有利的，常用于碳钢工件的冷却介质。但水在300～200℃之间冷却速度仍然很大，产生很大的组织应力，易使工件变形甚至开裂。向水中加入少量的盐，只增加它在650～400℃之间的冷速，而基本不改变它在300～200℃之间的冷却速度。因此，生产中一般采用浓度为10%的食盐水溶液来加快其冷却速度。
淬火用油一般为矿物油（如机油、变压器油、柴油等）。油在300～200℃之间冷却速度远小于水，这对于减小淬火工件的变形和开裂是很有利的，但它在650～400℃之间冷速也比水小，故不能用于碳钢，而只能用于过冷奥氏体稳定性较好的合金钢。
图1-27 各种淬火方法冷却示意图
1—单液淬火 2—双液淬火 3—马氏体分级淬火 4—贝氏体等温淬火
②淬火方法。常用淬火方法有单液淬火、双液淬火、马氏体分级淬火和贝氏体等温淬火等，如图1-27所示。
a.单液淬火。这种方法是将钢奥氏体化后，在一种介质中冷却到室内温度的淬火方法。一般用于形状不太复杂的碳钢与合金钢件（碳钢常用水，合金钢常用油）。
b.双液淬火。这是将工件加热到淬火温度后，先在冷却能力较强的介质（如水或盐水）中冷却到400～300℃，再迅速转移到冷却能力较弱的介质（如矿物油）中冷却到室温的淬火方法。双液淬火主要用于高碳工具钢所制造的工件，如丝锥、板牙等，以减小变形与开裂。
c.马氏体分级淬火。钢件经奥氏体化后，先投入到温度为150～260℃的盐浴中，稍加停顿（约2～5min），然后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火方法。常用于直径小于20～30mm的合金钢刀具，或直径小于10～12mm的碳钢刀具。
d.贝氏体等温淬火。将经奥氏体化后的钢件投入温度稍高于Ms的盐浴中，保温足够长的时间，使其发生下贝氏体转变后取出空冷的淬火方法。常用于形状复杂，强度、韧性较好的工件，如各种模具、成形刀具等，还可用于高合金钢较大截面零件的淬火。
（3）钢的淬透性与淬硬性
①淬透性和淬硬性的概念。钢的淬透性是指钢在淬火时能够获得淬硬层深度的能力，也就是获得马氏体的能力。
用不同的钢材制成的相同形状和尺寸的工件在相同条件下淬火，淬透性好的钢获得的淬硬层深，截面上的硬度分布也比较均匀，钢件的综合性能就高。
淬透性主要取决于钢的临界冷却速度vk。vk越小，钢的淬透性就越高。一般来说，碳素钢的淬透性都比较低，而大多数合金元素加入钢中，都能显著提高钢的淬透性。
淬硬性是指钢在淬火时的硬化能力，用淬火后马氏体所能达到的最高硬度表示，它主要取决于马氏体中的含碳量，而合金元素对它影响不大。淬透性好的钢，它的淬硬性不一定高。
②影响淬硬层深度的因素。
a.淬透性。钢的淬透性越大，则钢的淬硬层越深。
b.零件尺寸大小。在钢的成分和冷却条件相同的情况下，零件尺寸越大，热容量越大，零件冷却速度就越慢，淬硬层深度就越浅。
c.冷却介质。同钢种同尺寸的零件，在冷却能力较大的介质中冷却时，淬硬层深度较大；反之，则淬硬层深度较小。
热处理中常用临界淬透直径来具体衡量钢的淬透性。临界淬透直径是指钢在某种介质中淬火时，其心部能淬透的最大直径，以D0表示。常用钢材的临界淬透直径见表1-3。
表1-3 常用钢材的临界淬透直径
③钢的淬透性的应用。力学性能是机械设计中选材的主要依据，而钢的淬透性会直接影响钢在热处理后的力学性能。因此选材时，必须对钢的淬透性有充分了解。
机械制造中，许多大截面零件和在动载荷下工作的零件，以及承受拉力和压力的螺栓、拉杆、锻模等重要零件，常常要求零件的表面和心部力学性能一致，此时应当选用淬透性好的钢，淬火时应能全部淬透。
对于承受弯曲或扭转载荷的轴类、齿轮，其表面受力最大、心部受力最小，只要求淬透1／2～1／3的半径或厚度即可。对于一些心部性能对使用没什么影响的零件，则可考虑选用淬透性较低的钢。
对于某些零件，不可选用淬透性高的钢。例如焊接件，若选用淬透性高的钢，就容易在焊缝热影响区内出现淬火组织，造成变形或开裂。又如承受强力冲击和复杂应力的冷镦凸模，其工作部分常因全部淬硬而脆断。
4）回火
将淬火后的钢，再加热到Ac1点以下某一温度，保温后冷却到室温的热处理工艺称回火。
回火的目的是降低或消除淬火内应力，提高材料的塑性，提高尺寸稳定性，获得所需的使用性能。
（1）回火组织转变。淬火得到的马氏体是一种不稳定的组织，有向稳定组织转变的倾向，而回火可以促使这种转变加快进行。随着回火加热温度的升高，马氏体中碳原子扩散能力增强，并逐渐以碳化物的形式从马氏体中析出，使得马氏体中碳的过饱和程度随之减小，最终成为铁素体。从马氏体中析出的碳化物随着回火温度的升高逐渐形成颗粒状并聚集长大，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性升高。
（2）回火的种类及应用。按回火温度范围，可将回火分为以下三类。
①低温回火（回火温度为150～250℃）。低温回火所得组织为回火马氏体。回火马氏体是由碳的过饱和度较低的马氏体及其析出的碳化物组成。淬火钢经低温回火后基本保持淬火后的高硬度，但韧性有所提高，内应力有所降低。低温回火主要用于要求高硬度（58～64HRC）、高耐磨性的各种工具、刃具、量具、模具。如锤子、丝锥、塞尺、冷冲模具的凹模和凸模等。
②中温回火（回火温度为250～500℃）。中温回火所得组织为回火托氏体。回火托氏体是铁素体和细粒状渗碳体的混合物，硬度为35～50HRC，有高的弹性极限、屈服强度和一定的韧性。中温回火常用于弹性零件以及要求中等硬度的零件。如汽车板簧。
③高温回火（回火温度为500～600℃）。高温回火得到回火索氏体组织。回火索氏体是铁素体和粒状渗碳体的混合物，硬度为20～35HRC，具有良好的综合力学性能，即有较高的强度和良好的韧性。
通常将钢淬火加高温回火的复合热处理工艺称为调质处理。调质处理广泛应用于要求有良好综合力学性能的各种重要零件。如轴、齿轮、连杆、丝杠等。
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