淬火工艺详解：从定义到目的，提升钢材性能的关键步骤

淬火的定义和目的

将钢加热到临界点Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上的温度，保温一段时间，使其完全或部分奥氏体化，然后以大于临界淬火速度的速度冷却。将过冷奥氏体转变为马氏体或下贝氏体的热处理工艺称为淬火。

淬火的目的是使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体，获得马氏体或下贝氏体组织，然后结合不同温度的回火，大大提高钢的强度、硬度和耐磨性。耐磨性、疲劳强度和韧性等，满足各种机械零件和工具的不同使用要求。还可以采用淬火来满足某些特殊钢的铁磁性、耐腐蚀性等特殊的物理和化学性能。

钢件在物理状态发生变化的淬火介质中冷却时，冷却过程一般分为以下三个阶段：汽膜阶段、沸腾阶段和对流阶段。

钢的淬透性

淬透性和淬硬性是表征钢承受淬火能力的两个性能指标。它们也是材料选择和使用的重要依据。

1.淬透性和淬硬性的概念

淬透性是钢在理想条件下淬火硬化时达到最高硬度的能力。决定钢淬透性的主要因素是钢的碳含量。更准确地说，是淬火加热过程中溶解在奥氏体中的碳含量。碳含量越高，钢的淬透性越高。 。钢中的合金元素对淬透性影响不大，但对钢的淬透性影响很大。

淬透性是指在规定条件下决定钢的硬化深度和硬度分布的特性。即钢淬火时获得硬化层深度的能力，这是钢的固有性能。淬透性实际上反映了钢淬火时奥氏体转变为马氏体的难易程度。主要与钢的过冷奥氏体的稳定性有关，或者说与钢的临界淬火冷却速度有关。

还应该指出的是，钢的淬透性必须与钢件在特定淬火条件下的有效硬化深度区分开来。钢的淬透性是钢本身固有的性能。它只取决于自身的内部因素，与外部因素无关。钢的有效淬透深度不仅取决于钢的淬透性，还取决于所用材料。除了与冷却介质、工件尺寸等因素也有部分关系。例如，在相同奥氏体化条件下，同一种钢的淬透性相同，但水淬的有效硬化深度大于油淬，小零件的有效硬化深度大于大零件。大，不能说水淬比油淬具有更高的淬透性。不能说小零件比大零件具有更高的淬透性。可见，评价钢的淬透性，必须消除工件形状、尺寸、冷却介质等外界因素的影响。

另外，由于淬透性和淬透性是两个不同的概念，因此淬火后硬度高的钢不一定具有高淬透性；硬度低的钢也可能具有高淬透性。

2、影响淬透性的因素

钢的淬透性取决于奥氏体的稳定性。凡是能够提高过冷奥氏体稳定性，使C曲线右移，从而降低临界冷却速度的因素，都可以提高高钢的淬透性。奥氏体的稳定性主要取决于其化学成分、晶粒尺寸和成分均匀性，这与钢的化学成分和加热条件有关。

3.淬透性测定方法

测量钢淬透性的方法有多种，最常用的是临界直径测量法和端部淬透性试验法。

(1)临界直径测量方法

钢在一定介质中淬火后，心部获得全部马氏体或50%马氏体组织时的最大直径称为临界直径，用Dc表示。临界直径测量方法是制作一系列不同直径的圆棒，淬火后，测量每个样品截面上沿直径分布的硬度U曲线，找到中心具有半马氏体组织的棒。圆棒的直径即临界直径。临界直径越大，钢的淬透性越高。

(2)端部淬火试验方法

端部淬火试验方法采用标准尺寸端部淬火试样（Ф25mm×100mm）。奥氏体化后，在专用设备上向试样一端喷水进行冷却。冷却后，沿轴线-距水冷端的距离测量硬度。距离关系曲线的测试方法。端部硬化试验方法是测定钢淬透性的方法之一。其优点是操作简单、适用范围广。

4.淬火应力、变形和开裂

(1)淬火时工件的内应力

当工件在淬火介质中快速冷却时，由于工件有一定的尺寸，导热系数也有一定的值，因此在冷却过程中沿工件内部断面会出现一定的温度梯度。表面温度低，核心温度高，表面和核心温度都高。有温差。工件在冷却过程中，也会产生两种物理现象：一是热膨胀，随着温度下降，工件的线长会收缩；二是热膨胀，随着温度的下降，工件的线长会收缩；另一种是当温度降至马氏体转变点时奥氏体向马氏体的转变。 ，这会增加比容。由于冷却过程中的温差，沿工件横截面不同部位的热膨胀量会不同，工件不同部位会产生内应力。由于工件内部存在温差，也可能存在温度下降速度快于马氏体出现点的部位。转变，体积膨胀，高温部位仍高于该点，仍处于奥氏体状态。这些不同的部位也会因比容变化的差异而产生内应力。因此，淬火冷却过程中可能会产生两种内应力：一是热应力；二是热应力。另一个是组织应力。

根据内应力存在时间特点，还可分为瞬时应力和残余应力。工件在冷却过程中某一时刻产生的内应力称为瞬时应力；工件冷却后，工件内部残留的应力称为残余应力。

热应力是指工件在加热（或冷却）时，由于不同部位的温差而引起的热膨胀（或冷收缩）不一致而产生的应力。

现以实心圆柱体为例，说明其冷却过程中内应力的形成和变化规律。这里仅讨论轴向应力。冷却开始时，由于表面冷却快，温度低，收缩率大，而芯部冷却，温度高，收缩率小。结果，表面和内部相互约束，导致表层产生拉应力，而芯部受到压力。压力。随着冷却的进行，内外温差增大，内应力也相应增大。当应力增加超过该温度下的屈服强度时，就会发生塑性变形。由于心脏的厚度高于表面的厚度，因此心脏总是首先轴向收缩。由于塑性变形，内应力不再增加。冷却到一定时间后，表面温度的下降会逐渐减慢，其收缩率也会逐渐减小。此时，芯部仍在收缩，因此表面的拉应力和芯部的压应力将逐渐减小，直至消失。但随着冷却的继续，表面湿度越来越低，收缩量越来越小，甚至停止收缩。由于型芯的温度仍然很高，它会不断收缩，最终在工件表面形成压应力，而型芯则会产生拉应力。但由于温度较低，不易产生塑性变形，因此这种应力会随着冷却的进行而减小。它继续增加，最终作为残余应力保留在工件内部。

可以看出，冷却过程中的热应力最初导致表层被拉伸、芯部被压缩，剩余的残余应力是表层被压缩、芯部被拉伸。

综上所述，淬火冷却时产生的热应力是由冷却过程中的截面温差引起的。冷却速度越大，截面温差越大，产生的热应力越大。在相同冷却介质条件下，工件的加热温度越高，尺寸越大，钢材的导热系数越小，工件内部温差越大，热应力越大。如果工件在高温下冷却不均匀，就会产生扭曲变形。如果工件冷却过程中产生的瞬时拉应力大于材料的抗拉强度，就会产生淬火裂纹。

相变应力是指热处理过程中工件各部位相变时机不同而产生的应力，又称组织应力。

淬火和快速冷却时，当表层冷却到Ms点时，发生马氏体转变并引起体积膨胀。但由于尚未发生转变的核心的阻碍，表层产生压应力，而核心则产生拉应力。当应力足够大时，就会引起变形。当心部冷却到Ms点时，也会发生马氏体转变并体积膨胀。然而，由于转变后的表层具有低塑性和高强度的限制，其最终残余应力将以表面张力的形式存在，而芯部将受到压力。可见，相变应力的变化和最终状态与热应力完全相反。而且，由于相变应力发生在低温时，塑性较低，此时变形困难，因此相变应力更容易引起工件的开裂。

影响相变应力大小的因素有很多。钢在马氏体转变温度范围内的冷却速度越快，钢件尺寸越大，钢的导热性能越差，马氏体比容越大，相变应力越大。越大。此外，相变应力还与钢的成分和钢的淬透性有关。例如，高碳高合金钢由于其碳含量高而增加了马氏体的比容，这会增加钢的相变应力。但随着碳含量的增加，Ms点降低，淬火后存在大量残余奥氏体。其体积膨胀减小，残余应力低。

(2)淬火时工件的变形

淬火时，工件的变形主要有两种：一是工件几何形状的变化，表现为尺寸和形状的变化，常称为翘曲变形，是由淬火应力引起的；另一个是体积变形。 ，表现为工件体积按比例膨胀或收缩，这是由相变时比容的变化引起的。

翘曲变形还包括形状变形和扭曲变形。扭转变形主要是由于加热时工件在炉内放置不当，或淬火前变形校正后未进行整形处理，或工件冷却时工件各部位冷却不均匀等造成的。这种变形可以针对具体情况进行分析解决。下面主要讨论体积变形和形状变形。

1）淬火变形的原因及变化规律

组织转变引起的体积变形工件淬火前的组织状态一般为珠光体，即铁素体和渗碳体的混合组织，淬火后为马氏体组织。这些组织的比体积不同，会引起淬火前后的体积变化，从而产生变形。但这种变形仅使工件按比例膨胀和收缩，因此并不会改变工件的形状。

另外，热处理后组织中马氏体越多，或马氏体中碳含量越高，其体积膨胀越大，残余奥氏体量越大，体积膨胀越小。因此，可以通过控制热处理时马氏体和残余马氏体的相对含量来控制体积变化。如果控制得当，体积既不会膨胀也不会收缩。

热应力引起的形状变形 热应力引起的变形发生在钢件屈服强度低、塑性高、表面冷却快、工件内外温差大的高温区。最大的。此时，瞬时热应力为表面拉应力和芯部压应力。由于此时心部温度较高，屈服强度远低于表面，因此表现为多向压应力作用下的变形，即立方体在方向上呈球状。改变。结果是较大的收缩，而较小的膨胀。例如，长圆柱体在长度方向上缩短并在直径方向上膨胀。

组织应力引起的形状变形 组织应力引起的变形也发生在组织应力最大的早期时刻。此时截面温差大，心部温度较高，仍处于奥氏体状态，塑性好，屈服强度低。瞬时组织应力是表面压应力和核心拉应力。因此，变形表现为芯体在多向拉应力作用下的伸长。结果是在组织应力的作用下，工件较大的一侧伸长，而较小的一侧缩短。例如，长圆柱体内组织应力引起的变形是长度的伸长和直径的减小。

表5.3给出了各种典型钢件的淬火变形规律。

2）影响淬火变形的因素

影响淬火变形的因素主要是钢的化学成分、原始组织、零件的几何形状和热处理工艺。

(3)淬火裂纹

零件的裂纹主要发生在淬火冷却后期，即马氏体转变基本完成后或完全冷却后，因零件内的拉应力超过钢材的断裂强度而发生脆性破坏。裂纹通常垂直于最大拉伸变形方向，因此零件中不同形式的裂纹主要取决于应力分布状态。

淬火裂纹常见类型：纵向（轴向）裂纹主要是在切向拉应力超过材料断裂强度时产生；当零件内表面形成的较大轴向拉应力超过材料的断裂强度时，就会形成横向裂纹。裂纹；表面二维拉应力作用下形成网状裂纹；剥落裂纹发生在很薄的硬化层中，当应力急剧变化，径向作用有过大的拉应力时，就可能发生剥落裂纹。有点裂纹。

纵向裂纹也称为轴向裂纹。裂纹发生在零件表面附近最大拉应力处，并向中心有一定深度。裂纹的方向一般与轴线平行，但当零件存在应力集中或存在内部结构缺陷时，裂纹的方向也可能发生变化。

工件完全淬火后，容易产生纵向裂纹。这与淬火工件表面切向拉应力较大有关。随着钢的碳含量增加，形成纵向裂纹的倾向增加。低碳钢马氏体比容小，热应力强。表面有较大残余压应力，不易淬火。随着碳含量的增加，表面压应力减小，结构应力增大。同时，峰值拉应力向表层移动。因此，高碳钢在过热时容易产生纵向淬火裂纹。

零件的尺寸直接影响残余应力的大小和分布，其淬火裂纹倾向也不同。在危险截面尺寸范围内淬火也容易形成纵向裂纹。另外，钢材原料的堵塞也常常造成纵向裂纹。由于大多数钢件是通过轧制制造的，钢中的非金夹杂物、碳化物等沿变形方向分布，使钢产生各向异性。例如，如果工具钢具有带状组织，则其淬火后的横向断裂强度比纵向断裂强度小30％～50％。如果钢中存在非金夹杂物等引起应力集中的因素，即使切向应力大于轴向应力，在低应力条件下也容易形成纵向裂纹。为此，严格控制钢中非金属夹杂物和糖的含量是防止淬火裂纹的重要因素。

横向裂纹和弧形裂纹的内应力分布特征是：表面承受压应力。离开表面一定距离后，压应力转变为较大的拉应力。裂纹发生在拉应力区域，然后当内应力扩散到零件表面时，只有重新分布或钢的脆性进一步增加。

横向裂纹常发生在大型轴类零件上，如滚子、涡轮转子或其他轴类零件。裂纹的特点是垂直于轴线方向，由内向外断裂。它们通常在硬化之前形成，并且是由热应力引起的。大型锻件常存在气孔、夹杂物、锻裂纹、白点等冶金缺陷。这些缺陷在轴向拉应力的作用下成为断裂和断裂的起点。弧形裂纹是由热应力引起的，通常在零件形状发生变化的部位呈弧形分布。主要发生在工件内部或锐边、沟槽、孔附近，呈圆弧状分布。直径或厚度为80～100mm以上的高碳钢零件未经淬火时，表面会呈现压应力，中心会呈现拉应力。应力，最大拉应力出现在硬化层到非硬化层的过渡区，在这些区域产生弧形裂纹。另外，锐利棱角处冷却速度快，全部淬火。当过渡到平缓零件时，即过渡到未硬化区域时，此处出现最大拉应力区域，因此容易产生弧形裂纹。工件销孔、沟槽或中心孔附近的冷却速度慢，相应的硬化层较薄，硬化过渡区附近的拉应力易引起电弧裂纹。

网状裂纹又称面裂纹，是表面裂纹。裂纹深度较浅，一般在0.01~1.5mm左右。这类裂纹的主要特点是裂纹的任意方向与零件的形状无关。许多裂缝相互连接，形成网络，分布广泛。当裂纹深度较大，如超过1mm时，网络特征消失，成为随机取向或纵向分布的裂纹。网络裂纹与表面二维拉应力状态有关。

表面有脱碳层的高碳或渗碳钢件在淬火时容易形成网状裂纹。这是因为表层的碳含量比内层马氏体低，比容也小。淬火时，接头碳化物表层受到拉应力。机械加工时未完全去除脱磷层的零件，在高频或火焰表面淬火时也会形成网状裂纹。为避免此类裂纹的产生，应严格控制零件的表面质量，热处理时应防止氧化焊。另外，锻模使用一定时间后，型腔内出现的条状或网状热疲劳裂纹以及淬火件磨削过程中产生的裂纹都属于这种形式。

剥离裂纹发生在表层非常狭窄的区域。压应力作用于轴向和切向方向，拉应力作用于径向。裂纹平行于零件表面。表面淬火和渗碳零件冷却后硬化层的剥落都是此类裂纹。其发生与硬化层组织不均匀有关。例如，合金渗碳钢以一定速度冷却后，渗碳层中的组织为：外层极细珠光体+碳化物，亚层为马氏体+残余奥氏体，内层为细珠光体或极细珠光体结构。由于亚层马氏体的形成比体积最大，体积膨胀的结果导致表层在轴向和切向方向作用压应力，在径向作用拉应力，使表层发生应力突变。内部，转变为压应力状态，剥落裂纹发生在应力急剧转变的极薄区域。一般情况下，裂纹潜伏在与表面平行的内部，严重时会导致表面剥落。如果加快或降低渗碳件的冷却速度，则可以在渗碳层中获得均匀的马氏体组织或超细珠光体组织，可以防止此类裂纹的产生。另外，在高频或火焰表面淬火过程中，由于表面过热和沿硬化层的结构不均匀性，很容易形成这种表面裂纹。

微裂纹与上述四种裂纹不同，它是由微应力引起的。高碳工具钢或渗碳工件在淬火、过热、磨削后出现的晶间裂纹，以及淬火件回火不当引起的裂纹，都与钢中微裂纹的存在和随后的扩展有关。

微裂纹必须在显微镜下检查。它们通常出现在原始奥氏体晶界或马氏体片的交界处。一些裂纹穿透马氏体板。研究表明，微裂纹在片状孪晶马氏体中更为常见。原因是片状马氏体在高速生长时相互碰撞，产生高应力。但孪生马氏体本身脆性大，不能产生塑性变形松弛应力，因而容易产生微裂纹。奥氏体晶粒粗大，对微裂纹的敏感性增加。钢材中微裂纹的存在会显着降低淬火零件的强度和塑性，导致零件早期损坏（断裂）。

为避免高碳钢零件产生微裂纹，可采取降低淬火加热温度、获得细小的马氏体组织、降低马氏体中碳含量等措施。另外，淬火后及时回火是减少内应力的有效方法。试验证明，经过200℃以上充分回火后，裂纹处析出的碳化物具有“焊接”裂纹的作用，可显着降低微裂纹的危害。

以上是根据裂纹分布规律来探讨裂纹产生的原因及预防方法。在实际生产中，裂纹的分布情况因钢材质量、零件形状、热、冷加工工艺等因素的不同而有所不同。有时裂纹在热处理前就已存在，并在淬火过程中进一步扩展；有时同一部位可能同时出现多种形式的裂纹。在此情况下，应根据裂纹的形态特征，对断口进行宏观分析、金相检验，必要时还需采用化学分析等方法，从材料质量、组织结构到产生原因进行综合分析。热处理应力来寻找裂纹。找出主要原因，然后确定有效的预防措施。

裂纹断裂分析是分析裂纹产生原因的重要方法。任何断裂都有裂纹的起点。淬火裂纹通常从径向裂纹的汇聚点开始。

如果裂纹源头存在于零件表面，则说明裂纹是由于表面拉应力过大造成的。如果表面没有夹杂物等结构缺陷，但存在严重刀痕、氧化皮、钢件尖角或结构突变部位等应力集中因素，就会产生裂纹。

如果裂纹起源在零件内部，则与材料缺陷或内部残余拉应力过大有关。正常淬火断口呈灰色、细瓷状。若断口呈深灰色且粗糙，则为过热或原有组织过厚所致。

一般来说，淬火裂纹的玻璃断面不应有氧化色，裂纹周围不应有脱碳现象。如果裂纹周围有脱碳现象或裂纹断面有氧化色，则表明该零件在淬火前已存在裂纹，且原有裂纹在热处理应力的影响下会扩大。如果在零件裂纹附近看到偏析的碳化物和夹杂物，则说明裂纹与原材料碳化物偏析严重或存在夹杂物有关。如果裂纹仅出现在零件的尖角或形状突变部位，而无上述现象，则说明裂纹是由于零件的结构设计不合理或防止裂纹的措施不当，或热处理应力过大而引起的。

另外，化学热处理和表面淬火零件的裂纹大多出现在硬化层附近。改善硬化层组织、降低热处理应力是避免表面裂纹的重要途径。