1.钢的退火和正火
在机械制造过程中，退火和正火经常作为预先热处理，安排在铸造、锻造和焊接之后或粗加工之前，用以消除前一工序所造成的某些组织缺陷及内应力，为随后的切削加工及热处理做好组织准备，也可用于性能要求不高的机械零件的最终热处理。
图3-28 共析钢的连续冷却转变曲线
1）钢的退火
退火是将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般是随炉冷却，也可埋砂冷却或灰冷）的热处理工艺。根据钢的成分和退火目的不同，退火常分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等。各类退火的工艺特点及适用范围，如表3-4所示。
表3-4 各类退火的工艺特点及适用范围
2）钢的正火
正火是将钢加热到Ac3（或Accm）以上30～50℃，保温一定时间，然后出炉在空气中冷却的热处理工艺。
正火和退火的主要区别是正火的冷却速度稍快，得到的组织较细小，强度和硬度有所提高，操作简便，产生周期短，成本较低。正火主要应用于以下几个方面。
（1）改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性。由于正火后的组织为细珠光体，其硬度有所提高，从而改善了切削加工中的“黏刀”现象，降低工件的表面粗糙度。
（2）消除网状渗碳体。对于过共析钢可消除网状二次渗碳体，为球化退火做组织准备。
（3）作为中碳钢零件的预先热处理。通过正火可以消除钢中粗大的晶粒，消除内应力，为最终热处理做组织准备。
（4）作为普通结构件的最终热处理。对于某些大型或结构复杂的普通零件，当淬火有可能产生裂纹时，往往用正火代替淬火、回火作为这类零件的最终热处理。
退火和正火加热温度范围及热处理工艺曲线如图3-29所示。
图3-29 退火和正火加热温度范围及热处理工艺曲线
2.钢的淬火
淬火是将钢加热到Ac3（或Ac1）以上30～50℃，保温一定时间，然后以大于马氏体临界冷却速度快速冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。其目的是提高钢的硬度和耐磨性，淬火是强化钢材最重要的工艺方法。淬火必须与适当的回火工艺相配合，才能使钢具有不同的力学性能，以满足各类零件或工模具的使用要求。
（1）淬火加热温度的确定，淬火加热温度应以获得均匀而细小的奥氏体晶粒为原则。钢的成分不同，其淬火加热温度也不同。碳钢的淬火加热温度范围如图3-30所示。一般亚共析钢的淬火加热温度为Ac3+（30～50℃）；共析钢及过共析钢为Ac1+（30～50℃）。对于合金钢，由于合金元素对奥氏体化有延缓作用，加热温度应比碳钢高，尤其是高合金钢淬火加热温度远高于Ac1，同样能获得均匀而细小的奥氏体晶粒，这与合金元素在钢中的作用有关。
淬火保温时间是根据工件的有效厚度及成分来确定的，生产中常用经验公式来进行估算。
（2）淬火冷却介质，为了保证淬火后获得马氏体组织，淬火冷却速度必须大于马氏体临界冷却速度，但过快的冷却速度必然产生较大的淬火内应力，导致工件产生变形或裂纹，所以，淬火时在获得马氏体组织的前提下，尽量选用较缓和的冷却介质。理想的冷却介质应保证在C曲线鼻尖附近快冷，以避免过冷奥氏体发生转变；在C曲线鼻尖以上或以下温度缓冷，以降低工件的热应力和组织应力，如图3-31所示为理想的淬火冷却速度。但到目前为止，还没有找到完全理想的淬火冷却介质。
图3-30 碳钢的淬火加热温度范围
图3-31 理想的淬火冷却速度(www.xing528.com)
生产中常用的淬火冷却介质有水、油、盐或碱的水溶液。
①水及水溶液。水在500～650℃范围内需要快冷时，冷却速度相对较小；而在200～300℃范围内需要慢冷时，冷却速度又相对较大，容易引起工件的变形和开裂。为了提高水在500～650℃范围内的冷却能力，常在水中加入5％～10％的盐或碱，制成盐或碱的水溶液。盐水、碱水常用于形状简单、截面尺寸较大的碳钢工件的淬火。
②油。常用的淬火油有机械油、变压器油、柴油、植物油等。其优点是在200～300℃范围冷却较缓慢，有利于减小工件的变形；缺点是在550～650℃范围冷却也较慢，不利于淬硬，所以油一般用于合金钢和尺寸较小的碳钢工件的淬火。
为了减小零件淬火时的变形，盐浴或碱浴也可作为淬火介质，用于形状复杂、尺寸较小、变形要求严格工件的分级淬火和等温淬火。
（3）常用的淬火方法。常用的淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火等，如图3-32所示。
①单介质淬火。将钢加热到淬火温度，保温一定时间，放入一种淬火介质中一直冷却到室温的淬火方法，如图3-32中曲线1所示。例如碳钢在水中、合金钢在油中淬火。此方法操作简便，容易实现机械化和自动化，但水冷易变形，油冷不易淬硬。适用于形状简单的碳钢和合金钢工件。
②双介质淬火。将钢加热到淬火温度，保温一定时间，先浸入冷却能力强的淬火介质中，待零件冷却到稍高于Ms温度时，再立即转入冷却能力弱的介质中冷却到室温的淬火方法，如图3-32中曲线2所示。例如碳钢的水-油淬火、合金钢的油-空气淬火等。此方法能有效地防止淬火变形和裂纹，但要求操作工人有较高的技术水平。适用于形状复杂的高碳钢和尺寸较大的合金钢工件。
图3-32 常用的淬火方法
③分级淬火。将钢加热到淬火温度后，先浸入温度稍高于Ms点的盐浴或碱浴槽中，短时保温，待工件整体达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火方法，如图3-32中曲线3所示。分级淬火比双介质淬火容易控制，能有效减小工件的变形和开裂。适用于形状复杂、尺寸较小的工件。
④等温淬火。将钢加热到淬火温度后，快冷到下贝氏体转变温度区间等温，使奥氏体转变为下贝氏体组织的淬火方法，称为等温淬火，如图3-32中曲线4所示。等温淬火时内应力及变形很小，而且能获得较高的综合力学性能，但生产周期长，效率低，主要用于形状复杂、尺寸要求精确、强韧性要求高的小型工件。
（4）钢的淬透性。钢淬火的目的是获得马氏体组织，但并非任何钢种、任何成分的钢在淬火时都能在整个截面上得到马氏体，这是由于淬火冷却时表面与心部冷却速度有差异所致。显然只有冷却速度大于临界冷却速度的部分才有可能获得马氏体。钢的淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力，其大小通常用规定条件下淬硬层的深度来表示。淬硬层越深，其淬透性越好。凡是能增加过冷奥氏体稳定性，即使C曲线右移，减小钢的临界冷却速度的因素，都能提高钢的淬透性。反之，则降低淬透性。所以，钢的化学成分和奥氏体化条件是影响其淬透性的基本因素。
淬透性与淬硬性是两个完全不同的概念。淬硬性是指钢在淬火后所能达到的最高硬度的能力。淬硬性主要取决于马氏体的含碳量，而合金元素对淬硬性没有显著影响，但对淬透性却有很大影响，因此，淬透性好的钢，其淬硬性不一定高。
3.钢的回火
回火是将淬火后的钢重新加热到A1以下某一温度，保温一定时间后冷却到室温的热处理工艺。淬火后的工件不宜直接使用，必须及时进行回火。回火决定了钢的组织和性能，是重要的热处理工序，其目的是减少或消除淬火应力，防止工件变形开裂，稳定工件尺寸及获得必需的力学性能。
1）回火的种类和应用
生产中根据回火温度不同分为低温回火、中温回火和高温回火三类，淬火后进行高温回火，称为调质。回火的工艺特点及应用范围，如表3-5所示。
表3-5 回火的工艺特点及应用范围
2）回火脆性
淬火钢回火时，随着温度的升高，通常强度、硬度降低，而塑性、韧性提高。但在某些温度范围内钢的韧性有下降的现象，这种现象称为回火脆性。按回火脆性的温度范围，可分为低温回火脆性和高温回火脆性。
（1）低温回火脆性。淬火钢在250～350℃回火时出现的回火脆性，称为低温回火脆性或第一类回火脆性。几乎所有的钢都存在这类脆性，这类回火脆性是不可逆的，因此，一般应避免在此温度范围内回火。
（2）高温回火脆性。一些合金钢，尤其是含Cr、Mn、Ni等合金元素的钢，淬火后在450～650℃之间回火时也会产生回火脆性，称为高温回火脆性或第二类回火脆性。这类回火脆性是可逆的，生产中可采用快速冷却或在钢中加入W、Mo等合金元素来有效抑制这类回火脆性。
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