淬火的一个经典例子是铁匠将烧得通红的钢剑浸入一槽水中。这种戏剧性的快速冷却过程并非为了好看；它是一种有意的热冲击，旨在将钢的内部结构锁定在非常坚硬、耐磨损的状态。强烈的嘶嘶声和蒸汽云是基本冶金转变在几秒钟内发生的声响。
淬火是一个受控的快速冷却过程，而不仅仅是使热金属变冷的方法。它通过阻止材料（最常见的是钢）的原子重排成更柔软、更松弛的构型，来有意地将其困在一个坚硬但易碎的晶体状态中。
基本目标：我们为什么要淬火
从软到硬
当钢加热到高温（通常高于 727°C 或 1340°F）时，其铁晶体重新排列成一种称为奥氏体 (austenite) 的相。在这种状态下，碳原子均匀溶解，金属相对柔软且易于成型。
冷冻微观结构
如果让钢缓慢冷却，原子就有时间重新组织成更柔软、更稳定的结构。淬火的目标是如此快速地冷却钢，以至于原子被困在一个高度应力化的、针状的结构中，称为马氏体 (martensite)。
这种马氏体结构赋予了淬火钢卓越的硬度和耐磨性。你本质上是将一种高能原子排列冻结在原位。
临界冷却速度
每种钢合金都有一个临界冷却速度。要形成马氏体并达到完全硬度，钢的冷却速度必须快于这个特定速度。如果冷却太慢，就会形成较软的微观结构，硬化过程就会失败。
一系列淬火介质：控制冷却速度
淬火介质或“淬火剂”的选择是控制冷却速度的主要方式。目标是冷却得足够快以形成马氏体，同时又不会引入可能导致零件开裂的不必要的应力。
水和盐水：最剧烈的淬火
水能极快地冷却钢，因为它在沸腾时会吸收大量的热量。这使得它对需要非常快速淬火的简单碳钢非常有效。
在水中加盐或苛性钠（形成盐水）使其更具侵蚀性。盐有助于剧烈地打破金属表面形成的隔热蒸汽泡层（蒸汽套），确保更均匀和快速的冷却。
油：平衡的方法
油的冷却速度明显慢于水。这种更温和的冷却速率大大降低了零件因热冲击而翘曲或开裂的风险。
油是大多数合金钢的首选淬火剂，因为它们添加的元素（如铬、钼或锰）使它们更容易硬化，这意味着它们不需要像水淬火那样剧烈的冷却。
空气：最温和的淬火
某些高合金工具钢的硬化效率非常高，以至于它们可以通过简单地在静止或流动的空气中冷却来形成完全马氏体结构。
这是最温和的淬火方式，专用于“空气硬化”钢。它产生的内部应力最小，非常适合模具和夹具等复杂或精密的零件。
理解权衡：硬度与脆性
淬火不会产生成品零件。该过程会产生一套特定的性能，包括一个必须管理的重大缺点。
马氏体的问题
虽然马氏体非常坚硬，但它也非常脆，就像玻璃一样。一个只经过淬火的零件通常太脆弱，无法用于任何实际应用，如果掉落或受到撞击可能会碎裂。
开裂和翘曲的风险
剧烈的温度变化以及马氏体形成时发生的内部膨胀会产生巨大的内部应力。这种应力可能导致薄的部件在淬火过程中或之后不久发生翘曲、弯曲甚至开裂。
回火的必要性
由于这种脆性，经过淬火的零件几乎总是要经过称为回火 (tempering) 的第二次热处理。零件被重新加热到低得多的温度（例如 200-500°C 或 400-950°F）并保持一段时间。
回火可以释放内部应力，并使钢恢复一定的延展性和韧性。这需要以牺牲少量的硬度为代价，但最终产品在硬度和韧性方面都足以满足其预期用途。
将淬火与材料和目标相匹配
正确的淬火策略是材料性能、零件几何形状和所需最终特性之间的谨慎平衡。
- 如果您的主要重点是简单碳钢的最大硬度： 快速的水淬或盐水淬是最有效的方法，但您必须随后进行回火以降低脆性。
- 如果您的主要重点是在合金钢中平衡硬度和防止变形： 油淬提供更慢、更受控的冷却速率，最大限度地降低开裂风险。
- 如果您的主要重点是确保高合金工具钢的尺寸稳定性： 缓慢的空冷是最安全的选择，但仅适用于特定的空气硬化等级。
归根结底，掌握淬火就是精确控制冷却速度，以在钢的基本结构中实现可预测且可重复的转变。
摘要表：
| 淬火介质类型 | 冷却速度 | 最适用于 | 关键特性 |
|---|---|---|---|
| 水/盐水 | 非常快 | 简单碳钢 | 最大硬度，高开裂风险 |
| 油 | 中等 | 合金钢 | 平衡的硬度，变形减少 |
| 空气 | 慢 | 高合金工具钢 | 温和冷却，应力最小 |
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