1.3.3淬火
将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火是钢的最重要的强化力法，其本质问题是马氏体转变。
1.3.3.1淬火时马氏体转变
⑴ 马氏体的形成
钢奥氏体化后，以大于临界冷却速度的冷速冷却到马氏体点（Ms）以下时，转变为马氏体。马氏体转变也是一个生核和长大过程，转变机制非常复杂，马氏体晶核一般在奥氏体晶界、孪晶界、滑移面或晶内其它晶格畸变较大的地方形成并瞬时长大到最终尺寸。因为转变温度低，铁、碳原子不能扩散，所以马氏体只能采取阻力最小的“共格切变”的方式形成。即沿奥氏体一定晶面，铁原子集体地、不改变相互位置关系地作一定距离的移动(不超过一个原子间距)，并随即进行些微调整，使面心立方晶格改组成体心正方晶格(见图1.25)；碳原子原地不动，过饱和留在新组成的晶胞中，增大其正方度c/a(见图1.26)，且碳含量越高正方度越大。
图1.25 马氏体晶胞与母相奥氏体的关系 图1.26 马氏体晶格示意图
在马氏体切变形成过程中，马氏体和奥氏体的界面始终保持共格关系。即马氏体的(110)平行于奥氏体的(111)，马氏体的[111]平行于奥氏体的[110](见图1.25)。界面上的原子则为两相共有，其排列方式是既属于马氏体晶格也属于奥氏体晶格，因而共格面不论对马氏体抑或奥氏体都发生一定的弹性应变，即产生了弹性应力。在马氏体晶核通过共格面的扩展，迅速长大到一定尺寸后，由于弹性应力增大超过奥氏体的弹性极限，使奥氏体发生塑性变形。于是，界面的共格关系被破坏，而使马氏体很快停止长大。
⑵ 马氏体的形态
马氏体的形态与钢的成分、原始奥氏体晶粒大小和形成条件有密切关系。马氏体一般不超过奥氏体的晶界。奥氏体晶粒愈小，则马氏体愈细。细奥氏体转变成的马氏体，在光学显微镜下分辨不出晶体特征，称隐晶马氏体。
马氏体的形态一般分板条和针状（或片状）。主要决定于奥氏体的碳含量。图1.27表明，碳含量在0.6％以下时，基本上是板条马氏体，碳含量低于0.25％时，为典型的板条马氏体；碳含量大于1.0%者，则大多是针状马氏体，而碳含量在0.6~1.0%之间时，为板条和针状马
氏体的混合组织。
图1.27 马氏体形态与碳含量的关系
图1.28 板条马氏体示意图
在显微镜下，板条马氏体为一束束由许多尺寸大致相同并几乎平行排列的细板条组成，马氏体板条束之间则成较大角度，如图1.27所示。在一个奥氏体晶粒内，可以形成不同位向的许多马氏体区(共格切变区)，见图1.29(a)。高倍透射电镜的观察表明，在板条马氏体内有大量位错缠结的亚结构(图1.29(b))。所以，低碳板条马氏体也称位错马氏体。
（a）0.03%C、2%Mn钢的马氏体 1000× （b）0.03%C、2%Mn钢马氏体透射电镜照片27500×
图1.29 低碳马氏体的组织形态
在光学显微镜下，针状马氏体呈竹叶状或凸透镜状，在空间形同铁饼。马氏体针之间互相成一定角度（60°或120°）。马氏体针多在奥氏体晶内形成，并限制在奥氏体晶粒范围之内。最先形成的马氏体针较粗大，往往贯穿整个奥氏体晶粒，并将其分割。以后，马氏体则在被分割了的奥氏体中形成。因而马氏体针愈来愈细。先形成的马氏体容易被腐蚀，颜色较深。所以，完全转变后的马氏体为大小不同、分布不规则、颜色深浅不一的针状组织。高倍透射电镜分析表明，马氏体内有大量细孪晶带的亚结构，因此，高碳针状马氏体又称孪晶马氏体。
⑶ 马氏体转变的特点
① 奥氏体向马氏体转变为非扩散型转变。转变形成碳在α铁中的过饱和固溶体。过饱和碳在α铁中造成很大的晶格畸变，并与晶体中的缺陷发生强烈的交互作用，结果产生很强
的固溶强化和加工硬化效应，使马氏体硬度特高。含碳量越高，马氏体硬度越高，其变化关系如图1.30所示。
② 马氏体的形成速度极快(小于10-7s)。奥氏体冷却到Ms点以下时，旋即开始瞬时(无孕育期)地转变为马氏体。马氏体是在Ms-Mf范围内连续降温的过程中不断形成的。降温停止，马氏体量的增长也停止。马氏体量的增多是新马氏体的形成，而不是已有的马氏体长大的结果。由于形成速度快，新形成的马氏体要撞击原形成的马氏体，造成微裂纹，使马氏体变脆，特别是碳含量高时尤为严重。
③ 马氏体转变是不彻底的，总要残留少量奥氏体，如图1.31所示。连续冷却的任何停顿和减慢，都增大奥氏体的稳定性和残余奥氏体的量。Ms-Mf的位置决定于奥氏体的成分。由图1.31可知，碳含量的增加使其降低。碳含量高于0.5%时，Mf点降至室温以下，所以钢冷至室温也不能完全转变成马氏体，而要保留一部分残余奥氏体，其量随碳含量增大而增大，如图1.32所示。残余奥氏体存在于马氏体之间可改善钢的韧性。
④ 马氏体形成时体积膨胀。这在钢中造成很大的内应力，已生成的马氏体对未转变的奥氏体构成大的压应力，也使马氏体转变不能进行到底，而总要保留一部分不能转变的(残余)奥氏体。
马氏体的硬度很高，强度也应该是很高的，但因塑性太差而表现不出来。所以有利于其塑性的因素，例如细化奥氏体晶粒和马氏体共格区，都将有利于马氏体强度的提高。
马氏体的塑性和韧性与其碳含量(或形态)密切相关。高碳马氏体由于过饱和度大、内应力高和存在孪晶结构，所以硬而脆，塑性、韧性极差。但晶粒细化得到的隐晶马氏体却有一定的韧性。至于低碳马氏体，由于过饱和度小，内应力低和存在位错亚结构，则不仅强度高，而且塑性、韧性也较好，在生产中得到了很好地应用。
图1.30 碳含量对马氏体硬度的影响 图1.31 连续冷却时马氏体转变量与温度的关系
图1.32 奥氏体的碳含量对残余奥氏体的影响 图1.33 钢的淬火温度范围
1.3.3.2 钢的淬火工艺
（1）淬火温度的选定
在一般情况下，亚共析钢的淬火加热温度为Ac3以上30-50℃；过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上30-50℃(见图1.33)
亚共析钢加热到Ac3以下时，淬火组织中会保留自由铁素体，使钢的硬度降低。过共析钢加热到Ac1以上时，组织中会保留少量二次渗碳体，而有利于钢的硬度和耐磨性，并且，由于降低了奥氏体中的碳含量，可以改变马氏体的形态，从而降低马氏体的脆性。此外，还可减少淬火后残余奥氏体的量。而且，淬火温度太高时，会形成粗大的马氏体，使机械性能恶化；同时也增大淬火应力，使变形和开裂倾向增大。
（2）加热时间的确定
加热时间包括升温和保温两个阶段。通常以装炉后炉温达到淬火温度所需时间为升温阶段，并以此作为保温时间的开始；保温阶段是指钢件烧透并完成奥氏体化所需的时间。
加热时间受钢件成分、尺寸和形状、装炉量，加热炉类型、炉温和加热介质等因素的影响。可根据热处理手册中介绍的经验公式来估算，也可由实验来确定。
（3）淬火冷却介质
冷却是淬火工艺中最重要的工序，它必须保证工件得到马氏体，同时不造成开裂并使变形尽可能小。解决这一矛盾的理想淬火冷却曲线如图1.34所示。就是说，在650℃以上，在保证不形成珠光体类组织的前提下，冷却应尽可能慢，以减少热应力；在650~400℃范围应快速冷却，避免碰上C曲线的“鼻尖”，保证全部奥氏体不分解；在400℃以下，则又要求慢冷，以减轻马氏体转变时的相变应力。钢在淬火时，各温度区间的冷却速度决定于所用冷却剂的特性。因此淬火冷
图1.34理想淬火冷却曲线示意图
却前必须根据所用的钢种，选择适宜的冷却剂。
常用的冷却介质是水和油。
水在650~550℃范围冷却能力较大，在300~200℃范围也较大。因此易造成零件的变形和开裂，这是它的最大缺点。提高水温能降低650~550℃范围的冷却能力，但对300~200℃的冷却能力几乎没有影响。这既不利于淬硬，也不能避免变形，所以淬火用水的温度控制在30℃以下。水在生产上主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。水中加入某些物质如NaCl、NaOH、Na2CO3和聚乙烯醇等，能改变其冷却能力，以适应一定淬火用途的要求。 淬火用油为各种矿物油(如锭子油、变压器油等)，它的优点是在300~200℃范围冷却能力低，有利于减少工件的变形；缺点是在650~550℃范围冷却能力也低，不利于钢的淬硬，所以油一般用作为合金钢的淬火介质。淬火时油温不能太高，以免其粘度降低，流动性增大而提高冷却能力，超过油的燃点时，会引起着火，油温—般控制在40~100℃内。油长期使用会老化，应注意维护。
为了减少零件淬火时的变形，可用盐浴作淬火介质。这些介质主要用于分级淬火和等温淬火。其特点是沸点高，冷却能力介于水和油之间。常用于处理形状复杂、尺寸较小、变形要求严格的工具等。
（4）淬火方法
常用的淬火方法有单介质淬火．双介质淬火，分级淬火和等温淬火等，见图1.35。
① 单介质淬火法 工件奥氏体化后，在一种介质中冷却，如图1.35曲线1所示。淬透性小的钢件在水中淬火：淬透性较大的合金钢件及尺寸很小的碳钢件（直径小于3-5mm）在油中淬火。
单介质淬火法操作简单，易实现机械化，应用较广。缺点是水淬变形开裂倾向大；油淬冷却速度小，淬透直径小，大件淬不硬。
② 双介质淬火 工件奥氏体化后，在一种冷却能力较强 的介质中冷却，当工件冷却到300℃左右后，再淬入另一种冷
却能力较弱的介质中冷却。例如，先水淬后油冷，先水冷后空冷，等等。这种淬火操作如图1.35曲线2所示。
图1.35 不同淬火方法示意图 1-单介质淬火；2-双介质淬火；3-分级淬火；4-等温淬火