金属热处理大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，钢铁的热处理工艺种类繁多。
2.1.4.1 钢热处理概述
钢的热处理是将钢在固态下通过加热、保温、冷却以改变组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。其目的是消除毛坯中的缺陷，改善其工艺性能，为后续工艺过程创造条件，并能提高钢的力学性能，充分发挥钢材的潜力，提高零件使用寿命。
钢的热处理的基本过程一般包括加热、保温以及冷却三个阶段。
钢加热时的转变有：①钢的奥氏体化，首先是珠光体转变为奥氏体，然后先共析相向奥氏体转变或溶解，最后得到单相奥氏体组织；②奥氏体晶粒的长大及控制，奥氏体晶粒越小，冷却转变产物的组织越细，其屈服强度、冲击韧度越高。奥氏体晶粒的大小是评定加热质量的指标之一。
过热是钢在加热过程中容易出现的问题，主要指晶粒度超过规定的标准时的一种加热缺陷。控制奥氏体的晶粒大小的参数有：加热温度、保温时间、加热速度等。一般情况下，加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越大；加热温度相同，加热速度越快，保温时间越短，奥氏体晶粒越小。钢热处理的冷却方式有连续冷却（炉冷、空冷、水冷），等温冷却（等温淬火）等。
2.1.4.2 钢热处理的分类
钢的热处理一般可以分为以下几类：
1）整体热处理：退火、正火、淬火、回火等。
2）表面热处理：表面淬火。
3）化学热处理：渗碳、碳氮共渗、渗氮等。
4）此外，根据工序的不同，热处理还分为预备热处理和最终热处理。
1.钢的退火
将钢材或钢件加热到适当的温度，保温一定的时间，随后缓慢冷却以获得接近平衡状态组织的热处理工艺，称为退火。退火可以分为以下几类：
1）均匀化退火、再结晶退火、去应力退火、预防白点退火，其特点为：通过控制加热温度和保温时间，使冶金及冷却、加热过程中产生的不平衡状态（成分偏析、形变强化、内应力等）过渡到平衡状态。
2）完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火等，以改变组织和性能为目的，其特点为：通过控制加热温度、保温时间及冷却速度等工艺参数，来改变钢中的珠光体、铁素体和碳化物等组织形态及分布，从而改变性能。
2.钢的正火
钢材或钢件加热到Ac3以上，保温适当时间，在空气中冷却，称为正火。
3.钢的淬火
将钢件加热到Ac1或Ac3以上某一温度，保温一定时间，然后以大于临界冷却速度冷却以获得马氏体和下贝氏体组织，称为淬火。(www.xing528.com)
通过调整冷却介质、淬火方法可以控制淬火工件的冷却速度。水和油是最常用的冷却介质，水是最廉价的冷却介质，它的冷却能力较大，使用安全，不污染环境，淬火工件不需要清洗（食盐水溶液、碱水溶液除外）。油也是常用的冷却介质，主要采用矿物油，冷却性能好，冷却速度比水低，多用于合金钢淬火。
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。
钢的淬透性是指在规定条件下，决定钢材有效淬硬深度和硬度分布的特性。钢的淬透性主要决定于马氏体临界冷却速度。过冷奥氏体越稳定，马氏体临界冷却速度越小，钢的淬透性越好。注意：①要把钢的淬透性和淬硬性区别开，淬硬性是指钢在淬火后能够达到的最高硬度，反映钢的硬化能力，主要取决于钢的碳含量；②要把钢的淬透性与具体淬火条件下工件的淬透层深度区别开，同一钢种在同一奥氏体化条件下，其淬透性是相同的，但是，水淬比油淬的淬透层深，小件比大件的淬透层深，这并不意味着同一种工件水淬比油淬的淬透性高。
淬火中容易产生的缺陷主要有：①变形与开裂。在淬火冷却过程中，由于工件内外温差而导致热胀冷缩不一致，由此而产生的应力称为热应力。除此之外，在组织转变过程中，由比热容的变化而产生的内应力称为组织应力。热应力和组织应力是形成淬火应力的根源。②硬度不足。指工件上较大区域内的硬度达不到技术要求。形成缺陷的原因：淬火介质冷却能力不足；淬火加热温度过低或保温时间短，淬火组织中存在珠光体或铁素体；表面脱碳降低了钢的淬硬性。对于硬度不足的工件，可以重新淬火，但在淬火前，应进行一次退火、正火或高温回火以消除淬火应力，防止在重新淬火的过程中产生更大的变形甚至开裂。③氧化与脱碳。钢在加热时，铁和合金元素与氧化性介质作用，在工件表面生成氧化物的现象称为氧化。脱碳是指钢在加热时，钢表层中的碳与周围介质中氧、二氧化碳等发生化学反应，生成含碳气体逸出钢外，使钢表层碳含量下降。氧化会使工件尺寸减小，表面粗糙度值变大。脱碳会降低钢的表面硬度、耐磨性和抗疲劳能力。氧化脱碳还会增加淬火开裂倾向。为了防止，通常采用脱氧良好的盐浴加热、保护气体加热、真空加热、高温短时加热等措施。
4.淬火钢的回火
回火是指钢件淬硬后，再加热到Ac1点以下的某一温度，保温一定时间后冷却到室温的热处理过程。
回火按其保温温度可以分为：①低温回火（150～250℃），形成回火马氏体，硬度为58～64HRC，具有较高强度、硬度及耐磨性；②中温回火（350～500℃），形成回火托氏体，硬度为35～45HRC，由铁素体基体和碳化物颗粒组成，具有很高的弹性极限，有较高强度、中等的硬度和韧性；③高温回火（500～650℃），形成回火索氏体，硬度为200～330HBW，由铁素体和粒状碳化物组成，具有良好的综合力学性能。
习惯上将高温回火加淬火称为调质处理。调质一般作为最终热处理，但也可以作为表面淬火和化学热处理的预备热处理，以保证表面和心部不同的性能要求。
5.钢的表面热处理
是指仅对钢的表层进行热处理以改变其组织性能的工艺。最常用的是表面淬火加回火。
钢的表面淬火是通过快速加热，使钢的表层奥氏体化，在心部组织尚未发生相变时立即予以淬火冷却，使表层获得硬而耐磨的马氏体组织，心部仍保持原来的塑性和韧性较好的退火、正火或调质状态的组织。
表面淬火加热可采用：感应加热、火焰加热、激光加热等。感应加热频率为：①高频：50～300kHz②中频：1～10Hz③工频：50Hz。表面淬火多用于中碳钢和中碳低合金钢，如45、49Cr、40MnB。
感应加热表面淬火优点包括，加热速度快、时间短，表面氧化、脱碳较小，生产率较高；表层局部加热，工件变形小；淬火组织为细隐晶马氏体，表面硬度较高、脆性低；表层获得马氏体后，表层膨胀，造成残余压应力，提高疲劳强度；可用于生产流水线，工艺质量稳定。
6.钢的化学热处理
是指把钢制零件放在含欲渗元素的活性介质中，加热到预定的温度，保温一定时间，使该元素渗入到工件表层中，从而改变表层的成分、组织和性能的工艺。其中包括：
（1）钢的渗碳 为了增加钢件表层的碳含量和获得一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入到钢件表层。根据渗碳剂的不同，渗碳方法分：固体、气体、液体渗碳。渗碳层的表面碳质量分数一般为0.8%～1.1%，尤其0.85%～1.05%最好。如果表面碳含量低，则不耐磨且疲劳强度也较低；反之，则渗碳层变脆，易出现压碎剥落。钢经渗碳淬火、低温回火后表面硬度可达58～64HRC，耐磨性好，心部韧性好。适用于重载、磨损、冲击条件下工件的零件。
（2）钢的渗氮 在一定温度下使活性氮原子渗入到工件表面。目的是更大程度地提高钢件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性。
气体渗碳与气体渗氮相比：渗氮温度低，心部不发生相变，零件变形小；渗氮后，具有高耐磨性和热硬性；渗氮后，不再进行热处理，只进行磨削和抛光；渗氮时间长，工艺较复杂，渗氮层薄。
（3）碳氮共渗 指同时向零件表面渗入碳和氮。
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