机械零件使用状态下的性能，一般由淬火和回火获得，所以淬火和回火称为最终热处理。重要的机械零件通常都要经过淬火和回火热处理，以提高零件的性能，充分发挥钢的潜力，使零件既可承受较大负荷，又可使其尺寸变小，且提高了零件的使用寿命。故淬火和回火热处理是零件制造过程中十分重要的环节。
1.淬火
淬火是将钢加热到临界点以上某一温度，保持一定时间，然后以大于临界冷却速度的速度冷却获得马氏体组织的热处理方法。马氏体是指碳在α-Fe中的过饱和固溶体（在室温下α-Fe中正常的含碳量仅为0.006％，马氏体的含碳量远远高于此值），其硬度取决于碳的过饱和程度（但比淬火前钢的硬度高得多），即随钢的含碳量增大，马氏体的硬度增高，如碳素工具钢淬火后硬度大于60HRC。
临界点是指钢在加热或冷却过程中发生组织变化的温度。淬火时钢的加热温度要略高于临界点的温度，以使铁素体和珠光体（铁素体与渗碳体的机械混合物）转变为奥氏体。
临界冷却速度是指淬火冷却过程中奥氏体向马氏体转变时的最小冷却速度。所以淬火冷却时的冷却速度要大于临界冷却速度，但也不能太快，否则会引起零件的变形或开裂。钢加热后的冷却都在淬火冷却介质中进行，碳素钢常用的淬火冷却介质为水溶液，而合金钢常用油作淬火冷却介质。水溶液的冷却能力大于油，所以一般碳钢用油冷却淬不硬。合金钢用水溶液淬火易淬裂。
最常见的淬火有水冷淬火、油冷淬火、空冷淬火等。
淬火方法是根据工件特点（化学成分、形状尺寸和技术要求等）结合各种淬火冷却介质的特点，保证淬火质量所采用的方法。
（1）单介质淬火（单液淬火）将工件加热到奥氏体化后，浸入一种淬火冷却介质中连续冷却至室温的操作方法称为单液淬火。通常非合金钢件在水中冷却，合金钢件在油中冷却。
单液淬火操作简便，但工件易产生淬火应力，引起变形或裂纹。淬火应力包括热应力和组织应力。热应力是工件在淬火冷却过程中各部分温度不一，而引起不均匀收缩产生的应力；组织应力是工件各部位马氏体转变时间不一和马氏体的比体积过大而引起的应力。淬火应力是不可避免的，所以淬火变形也是不可避免的。
（2）双介质淬火（双液淬火）工件加热奥氏体化后先浸入一种冷却能力强的淬火冷却介质，浸入冷却能力强的淬火冷却介质，在组织即将发生马氏体转变时立即转入冷却能力弱的淬火冷却介质中冷却。例如先水后油等。
双液淬火接近理想冷却速度，减少了淬火应力和变形或开裂倾向，适用于形状复杂工件的淬火工艺，但不易操作。(www.xing528.com)
（3）马氏体分级淬火（分级淬火）工件加热奥氏体化后浸入要求一定温度的碱浴或盐浴中，保持适当时间，在工件整体达到介质温度后取出空冷以获得马氏体的淬火。
分级淬火接近理想冷却速度，减少了淬火应力和变形或裂纹倾向，该方法较双液淬火容易控制，一般适用于尺寸较小或形状复杂小型工件的淬火工艺。
（4）贝氏体等温淬火（等温淬火）工件加热奥氏体化后快冷到贝氏体转变温度区间等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火。等温淬火产生的淬火应力与变形极小，适用于小型复杂工件和弹簧零件的淬火工艺。
（5）冷处理 工件淬火冷却到室温后，继续在一般制冷设备或低温介质中冷却的工艺称为冷处理。工件淬火后继续在液氮或液氮蒸气中冷却的工艺称为深冷处理。冷处理和深冷处理一般在0℃以下进行，其目的是为减少钢中残留奥氏体量，以获得最多的马氏体，以便提高硬度，稳定尺寸。一般适用于量具、精密零件等。
2.回火
淬火后的钢件，虽然有较高的强度和硬度，但脆性增加，并有较大的内应力，故一般淬火后的零件不能直接使用，必须进行回火，以消除或降低内应力，提高韧性，调整力学性能，以满足零件的使用要求。
回火是钢件淬硬后加热到某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。因为淬火后钢的组织通常是马氏体和残留奥氏体，它们均为不稳定相，在一定的条件下具有向稳定相转变的自发倾向；马氏体的硬度高、韧性低；淬火应力大、工件易变形或裂纹。所以淬火的工件要进行回火处理。
淬火钢件回火的主要目的是稳定组织和形状尺寸；消除淬火应力；调整硬度、提高韧性，以获得所需要的力学性能。
根据零件性能要求不同，热处理生产中常按回火温度分为低温回火、中温回火和高温回火。钢件的回火组织与力学性能也将随回火温度而改变。
1）低温回火：工件在250℃以下进行的回火。淬火马氏体组织回火时，碳已经部分地从固溶体中析出并形成了过渡碳化物，称为回火马氏体。其性能具有很高硬度（58～65HRC）、高耐磨性，内应力及脆性有所降低，韧性有所提高。但仍可保持淬火零件的硬度和耐磨性。碳素工具钢、低合金工具钢、冷作模具钢等淬火后一般要进行低温回火。因此对要求高硬度、高耐磨性的零件（如各种刃具、量具、滚动轴承、冷作模具和渗碳件等）常采用低温回火。
2）中温回火：淬火钢件在250～500℃之间的回火称为中温回火。经中温回火后可使淬硬件的内应力大部分消除，使零件具有较高的硬度（40～50HRC）、较高弹性极限、较高屈服强度、保持足够的塑性和韧性。中温回火常用于弹簧、发条、热锻模和其他弹性元件等零件。
3）高温回火：淬火钢件在500℃至临界点之间的回火称为高温回火。钢件经高温回火后，淬硬件中的内应力可完全消除，使零件获得强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。高温回火后的硬度约为25～32HRC。所以高温回火适用于要求综合力学性能高的重要结构零件，如轴、曲轴、连杆、螺钉、齿轮等。热处理生产中把工件淬火并高温回火的复合热处理工艺称为调质。
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