从根本上说，钢材能否通过热处理硬化取决于其碳含量。 碳含量不足的钢材，或因其他合金元素稳定晶体结构的钢材，无法通过常见的淬火和回火工艺实现有意义的硬化。不可硬化钢材的主要类别是低碳钢、奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢。
钢材的硬化能力并非所有钢材固有的属性；它是含有足够的碳，在快速冷却时形成坚硬、脆性微观结构——马氏体——的直接结果。没有足够的碳，这种转变就不可能发生。
原理：为什么碳决定了可淬火性
要理解为什么有些钢材不能进行热处理，我们必须首先了解硬化是如何工作的。使钢材硬化的不是热量本身，而是热量所促成的结构转变。
马氏体形成的作用
传统的硬化过程涉及将钢加热，直到其晶体结构转变为称为奥氏体的相。在这种状态下，碳原子溶解到铁晶格中。
如果钢材随后快速冷却（淬火），碳原子就会被困住。这迫使铁晶格形成一种新的、高度应变且非常坚硬的结构，称为马氏体。
最低碳阈值
没有临界量的碳，这种向马氏体的转变根本无法发生。通常，钢材必须至少含有 0.30% 的碳才能表现出明显的硬化效果。
低于此阈值的钢材没有足够的溶解碳来产生形成大量马氏体所需的内部应变。
不可热处理钢材的类别
基于这一原理，我们可以确定几类不适合常规硬化的主要钢材。
低碳钢（软钢）
这是最常见的类别。低碳钢，通常称为软钢，其特点是碳含量低，通常低于 0.30%。
例如 A36 结构钢、1018 和 1020 钢 等因其延展性、可焊性和低成本而受到青睐，但它们缺乏完全硬化所需的碳。淬火对它们的硬度影响微乎其微。
奥氏体不锈钢
这类钢材，包括极其常见的 304 和 316 等级，具有不同的不可硬化原因。它们的化学成分（镍和铬含量高）使其晶体结构在所有温度下都是奥氏体，从深冷到熔点。
由于它们从不离开奥氏体相，因此淬火无法触发向马氏体的转变。这些钢材是非磁性的，它们通过机械方式（加工硬化）而不是热处理来硬化。
铁素体不锈钢
与奥氏体等级类似，铁素体不锈钢，如430 级，具有稳定的晶体结构。它们的结构称为铁素体，与纯铁在室温下的存在状态相同。
这些钢材的碳含量非常低，加热时不会发生必要的相变，因此不能通过热处理硬化。
理解细微差别和例外情况
“不能进行热处理”的说法带有重要的注意事项。虽然这些钢材不能通过淬火进行完全硬化，但其他热工艺可以改变它们的性能。
表面硬化：改变表面，而非核心
即使是低碳钢也可以获得坚硬、耐磨的表面。像渗碳或氮化这样的工艺是热化学处理，它们将碳或氮原子扩散到钢材表面。
这会在零件上形成一层薄薄的高碳（或高氮）“表层”。然后可以对该表层进行淬火以形成马氏体，从而形成坚硬的外层，而内部的延展性、低碳核心则保持柔软和韧性。
加工硬化：机械替代方案
如奥氏体不锈钢所述，加工硬化（或应变硬化）是提高不可硬化合金硬度和强度的主要方法。
在低温下弯曲、轧制或拉拔金属会在晶体结构中引入位错，使其更耐进一步变形。这就是柔软的不锈钢板如何变成坚固的弹簧或耐用的厨房水槽。
沉淀硬化：不同的热处理工艺
一些特种不锈钢，例如 17-4 PH，是通过完全不同的机制硬化的。这是一种两步热处理。首先，固溶处理溶解合金元素，然后低温“时效”处理使微小的硬质颗粒在金属基体中析出。
虽然这是一种热处理形式，但它与人们在讨论碳钢和合金钢硬化时通常指的马氏体转变是不同的。
根据您的目标做出正确的选择
选择正确的材料需要理解这些区别，并将钢材的性能与您应用的具体要求相匹配。
- 如果您的主要关注点是低成本下的可加工性和可焊性： 低碳钢是默认选择，但请注意，如果没有二次表面处理，它将无法保持锋利度或抵抗磨损。
- 如果您的主要关注点是耐腐蚀性和成型性： 奥氏体不锈钢是理想选择，但请注意，其最终硬度由机械加工决定，而不是热硬化。
- 如果您的主要关注点是高强度和耐磨性： 您必须选择中碳或高碳钢或专门设计用于通过淬火和回火硬化的工具钢。
理解碳、晶体结构和热处理之间的关系，使您能够选择应用所需的精确材料。
总结表：
| 钢材类别 | 示例 | 不可硬化的主要原因 |
|---|---|---|
| 低碳钢（软钢） | A36, 1018, 1020 | 碳含量低于 ~0.30%，不足以形成马氏体 |
| 奥氏体不锈钢 | 304, 316 | 所有温度下稳定的奥氏体晶体结构 |
| 铁素体不锈钢 | 430 | 稳定的铁素体晶体结构，碳含量极低 |
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