简而言之，碳含量极低的钢材和大多数奥氏体不锈钢不能通过常规热处理和淬火方法进行硬化。 钢材硬化的能力与其化学成分，特别是其碳含量密切相关，碳含量使得钢材内部晶体结构发生关键变化。
核心原理是：热处理硬度是通过将钢材的晶体结构转变为一种坚硬、脆性的相——马氏体来实现的。如果钢材没有足够的碳，或者其结构被其他元素稳定，这种转变就无法发生。
决定性因素：为什么碳是关键
碳的作用
碳是钢材常规硬化最重要的元素。它是使钢材形成高硬度所需的马氏体结构的主要介质。
钢材按其碳含量分类。低碳钢（通常称为软钢）的碳含量通常低于0.3%。这根本不足以达到显著的硬化效果。
最低碳阈值
要使钢材通过热处理显著硬化，其碳含量通常需要至少0.30%到0.35%。设计用于高硬度的钢材，如工具钢，碳含量通常为1.0%或更高。
硬化机制：两种结构的故事
加热形成奥氏体
当可硬化钢材被加热到临界温度以上（通常超过1400°F或760°C）时，其晶体结构会转变为一种称为奥氏体的相。在这种状态下，铁晶格可以溶解大量的碳。
淬火以捕获碳
奇迹发生在淬火过程中——在水、油或空气中快速冷却。这种突然的温度下降使得碳原子没有时间像在缓慢冷却时那样移出晶体结构。
碳被捕获，使铁晶格扭曲成一种新的、高度应变且非常坚硬的结构，称为马氏体。这就是硬化的本质。
抗硬化的钢材（及原因）
低碳（软）钢
如前所述，碳含量低于0.3%的钢材缺乏必要的碳原子来有效地将晶体结构锁定为马氏体。淬火后，它们大多恢复到原来的软态。这些钢材因其延展性和可焊性而受到重视，而不是其硬度。
奥氏体不锈钢（304、316）
这是另一个主要类别。奥氏体不锈钢，如常见的304和316牌号，专门设计含有高水平的镍。
镍是一种“奥氏体稳定剂”。它迫使钢材即使在室温下也保持其柔软、非磁性的奥氏体结构。由于钢材已经处于奥氏体相，并且在冷却时不会发生相变，因此无法触发马氏体反应。
值得注意的是，这些钢材可以硬化，但通过一种不同的机制，称为加工硬化（或应变硬化），这种硬化是通过机械变形金属（例如，弯曲或轧制）来实现的。
铁素体不锈钢（例如，430）
这类不锈钢碳含量非常低，其晶体结构（铁素体）在加热时不会转变为奥氏体。由于没有奥氏体作为起始，马氏体转变是不可能的。
理解权衡
硬度与延展性
在冶金学中没有“免费的午餐”。提供令人难以置信的硬度和耐磨性的马氏体结构也使钢材非常脆。
这就是为什么硬化零件在淬火后几乎总是要进行回火。回火是一种低温热处理，它会降低一些硬度，但会恢复关键的韧性和延展性，防止零件在使用中碎裂。
可焊性和可加工性
易于硬化的钢材（即碳和合金含量较高）通常更难焊接。焊接的快速加热和冷却循环会在焊缝附近产生脆性区域，导致开裂。
同样，高碳钢在硬化状态下更难加工。加工通常在钢材处于软态、退火状态下进行，然后再进行最终热处理。
为您的应用做出正确选择
选择正确的钢材需要理解您的主要目标。如果硬度不是所需性能，那么材料无法硬化并不是缺陷。
- 如果您的主要关注点是最大硬度和耐磨性： 选择高碳钢或专用的工具钢（如A2或D2），这些钢材设计用于热处理。
- 如果您的主要关注点是耐腐蚀性和延展性： 选择奥氏体不锈钢（如304），并接受其硬度来自加工硬化，而非热处理。
- 如果您的主要关注点是经济高效的制造和出色的可焊性： 选择低碳钢（如A36或1018），并了解它无法显著地整体硬化。
了解钢材的基本性能是成功工程和设计的第一步。
总结表：
| 钢材类型 | 碳含量 | 硬化机制 | 主要特点 |
|---|---|---|---|
| 低碳（软）钢 | < 0.3% | 不能硬化 | 高延展性，优异的可焊性 |
| 奥氏体不锈钢（304、316） | 低 | 仅加工硬化 | 耐腐蚀，非磁性 |
| 铁素体不锈钢（例如，430） | 非常低 | 不能硬化 | 良好的耐腐蚀性，有磁性 |
| 高碳/工具钢 | > 0.35% | 热处理和淬火硬化 | 高硬度，耐磨性 |
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