淬火的主要目的是快速冷却加热的金属部件，以控制其最终的微观结构。这种有目的的、受控的冷却过程不仅仅是为了使物体变冷；它是一种冶金工具，用于锁定特定的材料性能，最显著的是提高硬度和强度。
淬火本质上是一个受控的热量提取过程。其目标是将材料的原子锁定在一种高强度、非平衡的状态，同时仔细管理热应力，以防止部件开裂或变形。
淬火如何实现硬度
锁定应力微观结构
当像钢这样的金属被加热到高温时，其原子结构（晶格）会变成一种可以溶解碳和其他合金元素的形态。
如果金属被允许缓慢冷却，原子会重新排列成柔软、稳定且无应力的结构。淬火通过快速冷却材料来阻止这种情况发生，使原子没有时间回到其柔软状态。相反，它们被困在一个高度应变、扭曲的结构中（例如钢中的马氏体），这正是使材料坚硬和强韧的原因。
冷却速率的关键作用
冷却速度是淬火过程中最重要的变量。传热速率必须足够快，以避开转变曲线的“鼻部”，防止形成较软的结构。
然而，冷却速率也必须受到控制。如果过于剧烈，部件表面和核心之间巨大的温差会产生巨大的内应力，导致失效。
淬火过程的三个阶段
淬火过程中发生的冷却不是线性的。它发生在三个不同的物理阶段，每个阶段的传热速率都不同。
阶段1：蒸汽相
热部件浸入淬火液（如油）后，立即接触表面的液体会汽化。这会在部件周围形成一层绝缘的蒸汽层。
在此阶段，冷却相对缓慢，因为蒸汽是热的不良导体。
阶段2：沸腾相
随着表面略微冷却，蒸汽层变得不稳定并坍塌。这使得液体可以直接接触热金属，导致其剧烈沸腾。
这是冷却最快的阶段。沸腾作用产生的强烈搅动以最大速率带走热量，此时发生了关键的硬化转变。
阶段3：对流相
一旦部件表面温度降至液体沸点以下，沸腾就会停止。然后通过简单的液体对流去除热量。
这是冷却最慢的阶段。它允许部件内部的温度更逐渐地均衡，这有助于减少可能导致变形的最终内应力。
了解权衡和风险
淬火是一个强大的过程，但它带来了巨大的风险，必须通过仔细选择淬火介质和工艺参数来管理。
变形和开裂的风险
主要风险是热冲击。当部件表面快速冷却和收缩，而核心仍然很热并膨胀时，会产生巨大的应力。如果这种应力超过材料的强度，部件可能会翘曲、变形或开裂。
增强淬火油的“润湿”能力有助于确保蒸汽层均匀坍塌，防止导致不均匀冷却和应力的热点。
淬火介质的重要性
不同的流体以不同的速率提取热量，因此介质的选择至关重要。
- 水和盐水：提供非常快速的冷却以实现最大硬度，但开裂风险最高。
- 油：提供较慢、较温和的淬火。这在实现硬度的同时最大限度地减少变形之间取得了良好的平衡，使油成为许多合金最常见的选择。
- 空气：提供最慢的淬火，用于特定的“空冷硬化”合金，其中变形风险极高。
硬度与韧性
淬火的主要权衡是硬度与韧性。由此产生的坚硬马氏体结构也易碎。因此，淬火部件几乎总是接着进行二次热处理，称为回火，它会稍微降低硬度以释放应力并恢复一些必要的韧性。
为您的目标做出正确选择
理想的淬火策略完全取决于所处理的材料和部件所需的最终性能。
- 如果您的主要重点是在简单部件中实现最大硬度：在水或盐水中进行非常快速的淬火可能适用，只要材料能够承受热冲击。
- 如果您的主要重点是平衡硬度和尺寸稳定性：配方良好的淬火油是标准选择，可在所有三个阶段提供受控冷却。
- 如果您的主要重点是在复杂或薄壁部件中最大限度地减少变形：需要使用专用油进行较慢的淬火，甚至对于某些高合金钢使用空气淬火，以确保冷却尽可能均匀。
最终，掌握淬火就是通过操纵传热物理学来精确设计材料的最终性能。
总结表：
| 目的 | 主要益处 | 主要风险 | 常用介质 |
|---|---|---|---|
| 提高硬度和强度 | 将原子锁定在高强度状态（例如马氏体） | 热应力引起的变形或开裂 | 油、水、空气 |
| 控制微观结构 | 防止冷却过程中形成柔软、稳定的结构 | 需要精确的冷却速率管理 | 取决于材料 |
| 平衡性能 | 优化硬度与韧性（通常随后进行回火） | 过淬火可能导致脆性 | 油（最常见） |
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