要使金属更坚固，必须将其加热到特定的临界温度，然后非常快速地冷却。这个过程，称为硬化和淬火，从根本上改变了金属的内部晶体结构，将其锁定在更坚硬、更耐磨损的状态。随后进行称为回火的低温加热，以降低淬火造成的脆性。
通过热处理强化金属的核心原则不仅仅是加热和冷却；而是精确地控制金属的内部微观结构，以实现性能的新平衡，通常是以牺牲柔韧性为代价来显著提高硬度和强度。
原理：改变晶体结构
要了解热处理的工作原理，您必须将金属视为紧密堆积的微观晶体结构，而不是一个实心块。这些晶体的尺寸、形状和排列——即其微观结构——决定了其物理性能。
什么是微观结构？
在室温下，碳钢的晶体（称为铁素体）排列成相对开放、较弱的结构。这使得金属具有延展性，易于加工。
热量的作用
当您将钢加热到临界温度以上（通常超过 1400°F 或 760°C）时，晶体会重新排列成一种新的、更致密的结构，称为奥氏体。这种新结构具有溶解钢内部碳原子的独特能力。
冷却的关键作用
如果您缓慢冷却钢，晶体只会简单地恢复到原来的柔软状态。
但是，如果您将其极快地冷却——这个过程称为淬火——碳原子就会被困住。晶体来不及恢复成柔软的形态，而是被迫形成一种新的、高度应变且非常坚硬的结构，称为马氏体。这种马氏体结构赋予了淬火钢强度和耐磨性。
关键强化过程
整个加热、淬火和后续回火的顺序至关重要。跳过任何一个步骤都会导致处理失败。
第 1 步：硬化
这是将金属加热到奥氏体温度范围并保持足够长的时间，使整个部件达到均匀温度的过程。具体的温度和时间完全取决于金属合金的类型。
第 2 步：淬火
淬火是快速冷却，将微观结构锁定在硬化的马氏体状态。冷却速度至关重要。
不同的液体，即淬火剂，以不同的速率冷却。常见的淬火剂包括盐水（最快）、水（快）、油（较慢）和空气（最慢），每种都用于不同类型的钢和所需的结果。
第 3 步：回火
淬火后，金属非常坚硬，但也非常脆，像玻璃一样。未经回火的部件如果掉落或受到撞击可能会碎裂。
回火是一个强制性的后续步骤。它涉及将部件重新加热到低得多的温度（例如 400°F 或 205°C），以释放淬火产生的内部应力。这个过程会略微降低整体硬度，但会极大地提高金属的韧性，使其可用。
理解权衡：强度与脆性
热处理从不是孤立地追求单一性能。它总是一个平衡行为。
硬度-脆性谱
强化钢的主要权衡在于硬度和韧性。您通过淬火使钢变硬的程度越高，它就变得越脆。
想象一下陶瓷刀：它有一个非常锋利的硬边，但如果掉落，它会碎裂或破碎。较软的黄油刀会弯曲但不会断裂。淬火钢存在于同一光谱上。
为什么回火是不可或缺的
回火允许您精确调整所需的平衡。较高的回火温度会降低硬度但增加韧性。较低的回火温度能保留更多硬度，同时增加足够的韧性以防止碎裂。
因此，经过适当硬化和回火的部件几乎总是优于仅经过淬火的部件。
澄清其他热处理
热处理中使用的术语可能会令人困惑。虽然硬化可以强化金属，但其他常见工艺旨在出于不同原因使其软化。
退火呢？
退火与硬化相反。它涉及加热金属然后非常缓慢地冷却。这个过程会产生非常柔软、有延展性且无应力的状态，非常适合使金属更易于加工或成型。
应力消除呢？
这是一种较低温度的过程，用于消除由焊接或重型加工等制造过程引起的内部应力。它不会显著改变金属的硬度，但可以防止随时间发生的翘曲或开裂。
为您的目标做出正确的选择
正确的热处理工艺完全取决于金属部件的最终用途。
- 如果您的主要关注点是最大的硬度和耐磨性（例如，切割工具或锉刀）： 您需要进行完整的硬化和淬火循环，然后进行非常低温度的回火，以仅消除最极端的脆性。
- 如果您的主要关注点是平衡的强度和韧性（例如，锤子或斧头）： 您将使用完整的硬化和淬火循环，然后进行较高温度的回火，以牺牲一些硬度来换取显著的抗冲击性。
- 如果您的主要关注点是为加工或成型准备金属： 您将使用退火，使金属在尝试任何硬化之前尽可能柔软和无应力。
通过了解这些基本过程，您可以控制金属的内部结构，以实现您的项目所需的精确性能。
摘要表：
| 工艺步骤 | 关键操作 | 目的 |
|---|---|---|
| 硬化 | 加热至临界温度以上（例如 >1400°F / 760°C） | 将微观结构转变为奥氏体以溶解碳。 |
| 淬火 | 在盐水、水、油或空气中快速冷却 | 捕获碳，形成坚硬、易碎的马氏体结构。 |
| 回火 | 重新加热至较低温度（例如 400°F / 205°C） | 通过增加韧性来降低脆性，以获得可用部件。 |
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