钢材热处理：淬火与氮化的奥秘，你真的了解吗？

群里的读者在讨论钢材热处理的问题，表示自己曾和同事争论过这个问题，其实自己也看了很多资料，但还是没看懂。

值得一提的是，做模具的都知道热处理，常用的就是淬火和氮化，淬火是为了增加钢材的硬度，氮化是为了增加表面硬度，知识点就到此结束了。

如果再深一层，比如退火，回火？我不知道。为什么淬火后会变硬？为什么会变脆，内应力大，容易崩坏？我也不知道。

网上也有关于钢四火的文章，但我看完之后还是感到很困惑。

可以说懂了，但其实也可以说不懂，也就是说我只知道这两个过程代表什么意思，其他的我一无所知。

如果看起来要涵盖所有内容太困难，那么一旦理清了几个关键概念，实际上就会容易得多。

再说说淬火，看看标准写法是什么样的，把钢加热到奥氏体化临界温度以上，保温取出，再以大于临界速度冷却，使之转变为马氏体的过程叫淬火。

看完这段话你是不是有些困惑呢？

简单来说，就是将钢加热到奥氏体点以上的温度，然后在这个温度下保温一段时间，然后取出浸入水或油中快速冷却，使其转变为马氏体。

说得形象一点，就像我们小时候看到的铁匠，打铁的时候会把锄头、镰刀烧红，然后浸在水里，其实这也是一种简单的淬火工艺，整个钢铁变化的过程如下图所示。

这里有两个概念，奥氏体和马氏体。

这两个是什么意思呢？

我们要从头说起，钢铁是从哪里来的？

就是在铁中添加碳，可以看我之前的文章有详细的解释。（点此阅读本文《模具钢系列知识：认识模具钢》）

当铁被加热到1538度以上时，就变成铁水，当它从铁水开始冷却时，在不同的温度范围内会产生不同的晶体。

什么是结晶？

意思是液体变成固体，比如糖水可以结晶成糖。

铁在熔点到1394度之间结晶为δ-Fe；在1394度到912度之间结晶为γ-Fe；在912度以下结晶为α-Fe。见下图。

以上三种铁都能溶解碳，就好比把盐放入水中，盐会被水溶解。

碳溶解在α-Fe中称为铁素体，碳溶解在γ-Fe中称为奥氏体。由于γ-Fe的原子间隙比α-Fe大，所以能溶解更多的碳。奥氏体最多可溶解2.11%的碳，铁素体最多可溶解0.0218%的碳。

但奥氏体存在于912-1394度之间，而我们使用的钢最终都是处于室温状态，当温度低于912度时，γ-Fe就会转变成α-Fe，此时奥氏体已经不复存在。

当我们对模具进行热处理，加热到相应的温度时，就会形成奥氏体，这种材料有一个特性，就是在不同的温度范围内保温或者以不同的冷却速度冷却时，会形成不同的组织。

马氏体可以看作是其最终转变的结果，这个过程比较复杂，我们这里就不详细研究了。但是在这个转变过程中，由于从奥氏体冷却得很快，转变速度太快了。正如我们上面提到的，α-Fe最多只能溶解0.0218%的碳，而奥氏体最多只能含2.11%的碳。奥氏体中多余的碳原子在重新分配之前就被保留在马氏体中了。

所以马氏体是过饱和固体，可以理解为吃得太多了，吃饱了。

其中内部大量过饱和的碳原子，过于拥挤，产生很大的内应力，造成腹胀、消化不良。

我在之前的文章里提到过，碳含量越高，钢就越硬，但同时也会变得比较脆，就是这个道理。

我们如何才能消除这种内部压力？

然后需要进行回火，以沉淀多余的碳，这就像服用一些消化助剂来帮助消化一样。

回火是将其再次加热到临界温度以下，保温，然后缓慢冷却，在此过程中会析出一些碳化物，以消除内应力，使其脆性降低。

回火有低温、中温、高温之分，其结果各有不同，对钢的性能影响也很大，例如低温回火会使钢的最终硬度高于中温回火。

所以当我们需要热处理到相应的硬度时，热处理厂会根据不同的钢材调整不同的热处理参数。

因此，同一类型的钢材可以根据客户需求加工成不同的硬度也就不足为奇了。

到这里大家应该对淬火有了大概的了解，如果懂了请点赞，如果不懂请留言。