在電視上 ，你可能見過刀匠將一把熾熱的劍浸入水或油中。這被稱為“淬火 ?（如果您認(rèn)為這被稱為“淬火 ? , 請(qǐng)不要感到難過，這是一個(gè)常見的錯(cuò)誤）。淬火是一種重新排列材料原子結(jié)構(gòu)的古老方法。
淬火是快速冷卻材料（通常是金屬）以獲得理想的機(jī)械性能（如增加的強(qiáng)度和硬度）的過程。
大多數(shù)人認(rèn)為淬火只是將熾熱的鋼浸入一桶水中 ，但材料科學(xué)家可以在水 、油、 液氮甚至空氣中淬火。淬火是許多材料的重要加工步驟。淬火可以細(xì)化晶?；虿倏v相變。 一個(gè)非常重要的相變是鋼中的馬氏體到奧氏體 ，我將在后面深入討論。
為了確定淬火對(duì)金屬的影響，材料科學(xué)家可以使用測(cè)試或時(shí)間-溫度-轉(zhuǎn)變（TTT）曲線。
我們稍后會(huì)談到這些技術(shù)術(shù)語(yǔ)，但首先讓我們看看你可以用淬火做的所有很酷的事情。
本文我們將圍繞以下幾點(diǎn)和大家共同學(xué)習(xí)“淬火 ?：
1.淬火的目的是什么？
2.淬火的歷史是什么？
3.什么是淬火介質(zhì)？
4.鋼淬火過程中會(huì)發(fā)生什么？
5.馬氏體相變的特征是什么？
6.馬氏體體的主要特點(diǎn)是什么？
7.什么是殘余奧氏體？
8.碳含量如何影響淬火鋼的硬度？
9.淬火的步驟是什么？
10.我們需要多快淬火才能獲得馬氏體（什么是TTT曲線）？
11.最后的思考
1.淬火的目的是什么？
當(dāng)大多數(shù)人想到淬火時(shí)，他們可能會(huì)想象一個(gè)鐵匠將一塊熾熱的鋼片放入一桶水中。淬火的范圍比這要廣泛得多，但讓我們從這個(gè)例子開始，探索淬火在鋼中可以做什么。
淬火可以做的第一件事是細(xì)化晶粒。
如果你不知道，金屬就是晶體。與您通常想到的晶體（如寶石）不同，金屬是“ 多晶 ?。這意味著金屬由許多微小的晶體組成。 我們稱這些小晶體中的每一個(gè)都為“顆粒 ?。
事實(shí)證明，重復(fù)模式是原子排列自己的一種非常穩(wěn)定的方式。 三種最常見的晶體結(jié)構(gòu)是體心立方（BCC）、面心立方（FCC）和六方緊密堆積（HCP）。
原子的排列方式會(huì)對(duì)材料性能產(chǎn)生巨大影響——看看金剛石與石墨就知道了！材料科學(xué)的一個(gè)主要部分是通過改變晶體結(jié)構(gòu)來影響材料性能。
當(dāng)外行人談?wù)撍r(shí)，他或她通常指的是寶石——鉆石、紅寶石、藍(lán)寶石或鹽。這些是一種特殊類型的晶體：?jiǎn)尉w。單晶在整個(gè)材料中具有不間斷的原子模式。
更常見的是，金屬等材料是多晶。這些材料仍然具有重復(fù)的結(jié)構(gòu)，但該結(jié)構(gòu)被分解成不同的晶粒。
當(dāng)相凝固時(shí)，它開始時(shí)只有幾個(gè)原子。這些原子聚集在一起 然后生長(zhǎng)。 所有加入這個(gè)簇的原子都將具有相同的方向，并且它們將形成一個(gè)顆粒。 在某些時(shí)候，谷物會(huì)碰到另一個(gè)谷物。
如果相凝固得更慢，則初始晶粒會(huì)更少，并且每個(gè)晶粒會(huì)更大。如果相凝固得更快，就會(huì)有許多初始晶粒，每個(gè)晶粒都會(huì)更小。
一般來說，較小的晶粒意味著更堅(jiān)固、延展性較差的金屬。 我希望我已經(jīng)用我自制的動(dòng)畫來說明這一點(diǎn)，但如果你想自己查一下，它被稱為霍爾-佩奇效應(yīng)。
現(xiàn)在，在我的解釋中，我可能暗示了一些不正確的東西。當(dāng)你從液體中產(chǎn)生固相時(shí)，這種晶粒成核和生長(zhǎng)模型看起來非常好，但這不是通常的淬火。
例如：在鋼中，淬火將我們從一種固相帶到另一種固相。這仍然會(huì)導(dǎo)致晶粒細(xì)化，但它也具有更重要的含義。
鋼始于一個(gè)稱為“鐵素體? 的階段。當(dāng)你加熱鋼時(shí)，它會(huì)變成一個(gè)新的相，即 “奧氏體 ?。奧氏體可以比鐵素體溶解更多的碳——這很好。 如果你冷卻奧氏體 ，你就會(huì)再次得到鐵素體——只要你冷卻鋼足夠慢，使碳有時(shí)間離開金屬。
另一方面，如果你快速冷卻鋼，你會(huì)得到一個(gè)新的階段 ：“馬氏體?。馬氏體非常堅(jiān)硬，壓力很大。馬氏體基本上是鐵素體，內(nèi)部含有過多的碳。所有這些碳都會(huì)使晶體扭曲，因此我們稱之為新相馬氏體。
這種扭曲的晶體非常堅(jiān)硬，但很脆。劍、刀和其他工具由馬氏體鋼制成，以獲得高強(qiáng)度。
但是如果你看一下相圖，你不會(huì)看到馬氏體。馬氏體不是熱力學(xué)穩(wěn)定的相，但您仍然可以在最終產(chǎn)品中達(dá)到它。告訴您奧氏體的圖表稱為時(shí)間-溫度-變換圖，或TTT曲線。我們稍后會(huì)討論TTT圖。
因此，我們已經(jīng)了解到淬火可以使晶粒變小，并且可以產(chǎn)生應(yīng)力更強(qiáng)的相。這兩種效果都會(huì)使鋼更堅(jiān)固，但延展性較差。
在某些情況下，淬火可以使材料更具延展性和柔軟性。 在大多數(shù)鋼的情況下，您會(huì)看到淬大速度使您可以獲得亞穩(wěn)態(tài)馬氏體，二不是熱力學(xué)上有利的鐵素體。
但是，在其他材料（或一些獨(dú)特的鋼）中，淬火可以讓您避免強(qiáng)化或脆化階段。
看看高溫合金，鎳基高溫合金有一個(gè)非常好的相，稱為 γ'（發(fā)音為“gamma-prime?) 。這是熱力學(xué)穩(wěn)定的階段 ，但還有其他稱為TCP的“壞 ? 階段。從技術(shù)上講，這些使高溫合金更堅(jiān)固 ，但它們也使高溫合金更脆/延展性更差。
通常，材料科學(xué)家會(huì)微調(diào)強(qiáng)度（材料可以承受多大的力）與延展性（材料可以承受多大的變形）。TCP稍強(qiáng)一些但更脆，因此在99%的應(yīng)用程序中，γ'比TCP更好。
當(dāng)你制造高溫合金時(shí)，如果你慢慢冷卻它，可能會(huì)形成TCPs。它們通常在高于γ' 的溫度下保持穩(wěn)定。 不幸的是，一旦高溫合金足夠冷，γ'比TCP更穩(wěn)定，擴(kuò)散就會(huì)相當(dāng)緩慢，TCP將永遠(yuǎn)持續(xù)下去。
但是，如果對(duì)高溫合金進(jìn)行淬火，則會(huì)跳過這個(gè)溫度范圍，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，TCP 是穩(wěn)定的，只能得到γ'。
淬火也可用于玻璃中的熱鋼化。是的，這個(gè)術(shù)語(yǔ)很奇怪， 因?yàn)槲覀兺ǔＪ褂?“ 回火 ?這個(gè)詞來指使金屬在淬火后變?nèi)?，但熱回火是一種使玻璃更堅(jiān)固的方法。
2.淬火的歷史是什么？
淬火早在科學(xué)家知道它是如何工作的之前就已經(jīng)存在了。 如果你也不懂淬火，也不要感到難過！老鐵匠和刀匠通過反復(fù)試驗(yàn)來學(xué)習(xí)技術(shù)，并嚴(yán)密保護(hù)他們的技術(shù)。 一些傳說聲稱，偉大的劍匠會(huì)將劍淬火到奴隸的身體中（ 實(shí)際上，這可能是有效的，或者至少血有時(shí)可能比水更好，請(qǐng)參閱下面關(guān)于淬火介質(zhì)的部分）。
淬火劍會(huì)在劍中產(chǎn)生巨劇的壓力。通常，不完美的劍會(huì)折斷?？梢允褂貌煌拇慊鸱椒ɑ蚪橘|(zhì)來減少鋼破碎的可能性，但直到最近，這種冶金水平還被神秘主義所包圍。
也許第一個(gè)書面提及淬火是在荷馬的《奧德賽》中。鐵匠將斧頭或斧頭放?冷水中以淬火它——因?yàn)檎沁@一點(diǎn)賦予了鐵以力量。幾個(gè)世紀(jì)以來，淬火一直是劍術(shù)的一個(gè)重要方面 ，但日本劍匠可能擁有最復(fù)雜的淬火技術(shù)。
日本刀是通過梯度淬火制成的。他們?cè)趧θ猩贤可险惩?，使劍的背面淬火得更慢?因此它有更堅(jiān)韌的鐵素體。劍的邊緣是純硬的馬氏體，而劍的核心則更堅(jiān)韌，更具延展性。
3.什么是淬火介質(zhì)？
正如您將在下面的TTT曲線部分中了解到的那樣，不同的淬火速率會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果。不同的金屬可以在不同的淬火中存活而不開裂。
在某些鋼中，您可能需要馬氏體與鐵素體的不同比例。 當(dāng)然，非鋼金屬的行為與鋼有很大不同，并且需要自己的淬火方法。 大多數(shù)時(shí)候，淬火只是冷卻材料的速度的函數(shù)。
通常，控制冷卻速度的唯一方法是使用淬火介質(zhì)（即桶中的東西）。從理論上講，你可以改變淬火介質(zhì)的溫度，但你已經(jīng)有了熱金屬，所以水溫的幾度變化并不重要。另一方面，比熱或沸點(diǎn)的差異會(huì)對(duì)冷卻速率產(chǎn)生很大差異。
最常見的淬火介質(zhì)是水、 鹽水（鹽水）、油、液氮和空氣。 這些介質(zhì)中的每一種都有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
01水
水是最常見的淬火介質(zhì)之一， 因?yàn)樗苋菀撰@得并導(dǎo)致快速淬火。水不易燃，具有很大的比熱和汽化熱， 因此當(dāng)水沸騰時(shí)，它會(huì)迅速冷卻材料。然而，沸騰產(chǎn)生的氣泡會(huì)降低導(dǎo)熱性，最終導(dǎo)致淬火速度變慢。（這層由氣泡引起的絕緣層稱為萊頓弗羅斯特效應(yīng)）。
02鹽水
鹽水只是加了鹽的水。 它具有許多與水相同的優(yōu)點(diǎn)，但鹽會(huì)增加水的沸點(diǎn)，從而減少沸騰產(chǎn)生的氣泡，并加快淬火速度。鹽水淬火的一個(gè)缺點(diǎn)是鹽有時(shí)會(huì)腐蝕或以其他方式與某些合金發(fā)生反應(yīng)。
關(guān)于在血液中淬火劍的傳說：由于血液也是水中溶解了電解質(zhì)（鹽），因此從淬火的角度來看，血液類似于弱鹽水（盡管尿液會(huì)更像鹽水）。血液中還含有大量有機(jī)化合 物 ，這些化合物可能會(huì)凝固并粘在刀片上，從而減少萊頓弗羅斯特效應(yīng)。這些碳分子也有可能發(fā)生反應(yīng)，在表面形成少量碳化物，盡管我懷疑這是否會(huì)很明顯。 簡(jiǎn)而?之，血液中的淬滅可能會(huì)產(chǎn)生與水不同/更理想的淬火。
03油
有幾種類型的油，但它們的比熱都比水低，導(dǎo)致淬火速度較慢。 我見過業(yè)余刀匠使用機(jī)油、植物油、花生油——甚至使用一些學(xué)生最喜歡的炸雞店回收的煎炸油！
油是一種很好的中速淬火劑，可以幫助避免開裂。油淬火的一個(gè)缺點(diǎn)是油的表面可能會(huì)著火，因此在進(jìn)行油淬火時(shí)需要非常小心。
04液氮
液氮實(shí)際上比水淬火慢，因?yàn)榈獨(dú)庾兂蓺怏w（導(dǎo)熱系數(shù)低） ，熱容和汽化熱較低。然而，液氮最終導(dǎo)致的最終淬火比其他介質(zhì)更冷，而這在一些鋼合金中是必需的。例如，許多不銹鋼在水無(wú)法達(dá)到的非常低的溫度下才會(huì)析出馬氏體。
05空氣
通常，空氣淬火是通過非?？焖俚貙⒗淇諝獯颠^樣品來完成的?？諝獯慊鹜ǔＳ糜诠I(yè)環(huán)境中，因?yàn)榭諝夥浅１阋?，并且通過控制產(chǎn)品不同部分的空氣速度，您可以在不 同的地方獲得不同的淬火率?？諝獯慊鹜ǔＪ亲盥拇慊鸾橘|(zhì)。
另一種空氣淬火只是讓零件在靜止空氣中冷卻。我通常稱其為“風(fēng)冷?而不是空氣淬火，但有些合金即使在非常慢的冷卻速率下也可以實(shí)現(xiàn)淬火的微觀結(jié)構(gòu)——在這種情況下 ，這種“空氣淬火 ?術(shù)語(yǔ)很合適。
4.鋼淬火過程中會(huì)發(fā)生什么？
這是鋼的相圖。x軸顯示碳的百分比，y軸顯示溫度。
在淬火鋼時(shí)，我們首先需要將其加熱超過奧氏體化溫度。在亞共析鋼（共晶點(diǎn)的左側(cè)）中，鋼將具有奧氏體相。在超共析鋼（共晶點(diǎn)右側(cè)）中，鋼將具有兩相：奧氏體和滲碳體。
為了得到馬氏體，鋼在淬火時(shí)需要改變相。低于奧氏體化溫度 ， 當(dāng)它被淬火時(shí)不會(huì)發(fā)生任何事情。奧氏體是鐵的面心立方（FCC）形式，通常用 γ 表示，比鐵素體的體心立方（BCC）形式，（用α表示）可以溶解更多的碳原子。奧氏體可以溶解2%的碳，而鐵素體可以溶解0.025%的碳。這是因?yàn)镕CC與BCC結(jié)構(gòu)中間隙位點(diǎn)的大小和數(shù)量
當(dāng)我們淬火鋼時(shí)，它會(huì)迅速冷卻并希望從BCC奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)镕CC鐵素體。然而，冷卻速度太快，碳原子無(wú)法移開，因此它們基本上被困在FCC階段。
含有碳的FCC鐵不再被稱為鐵素體：現(xiàn)在這是馬氏體！
馬氏體是碳的過飽和溶液，它將體心立方晶格扭曲成體心四方晶格。根據(jù)鋼的成分和淬火率，最終產(chǎn)品也可能含有鐵素體或殘余奧氏體。
5.馬氏體相變的特征是什么？
這些類型的相變不涉及擴(kuò)散。所有原子同時(shí)向同一方向移動(dòng)。馬氏體通常形成看起來 像板或針的結(jié)構(gòu)。這些被稱為板條。
隨著馬氏體的形成，它會(huì)在鋼中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。這些應(yīng)力抑制了進(jìn)一步的相變。請(qǐng)記住，相圖實(shí)際上有3個(gè)軸：成分、 溫度和壓力。在大多數(shù)材料科學(xué)相圖中，我們只繪制成分和溫度，因?yàn)槲覀兗僭O(shè)壓力只是大氣壓力，但內(nèi)部應(yīng)力的作用與外部壓力相同。
新形成的maretniste對(duì)剩余的奧氏體施加壓應(yīng)力。這就是導(dǎo)致“保留?奧氏體的原因。幾乎總是有一些殘余的奧氏體，因此100%的鋼永遠(yuǎn)不會(huì)變成純馬氏體。
奧氏體比馬氏體致密因此淬火后體積增加（這就是日本刀彎曲的原因：邊緣處的馬氏體較多，因此刀片的一部分比其他部分膨脹更多，導(dǎo)致彎曲的外觀）。
由于馬氏體體積膨脹引起的內(nèi)應(yīng)力，大塊鋼在淬火時(shí)甚至可能開裂。如果碳含量大于0.5wt%，則這種現(xiàn)象是一個(gè)特別重要的問題。
如果鋼淬火太慢而無(wú)法獲得馬氏體，則最終會(huì)得到貝氏體或珠光體。當(dāng)碳原子能夠部分?jǐn)U散出晶格時(shí)，就會(huì)發(fā)生貝氏體。當(dāng)達(dá)到完全擴(kuò)散時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)珠光體。
6.馬氏體的主要特點(diǎn)是什么？
馬氏體是對(duì)鋼進(jìn)行常規(guī)淬火的最終產(chǎn)品。它是體心四方（ BCT）晶體結(jié)構(gòu)中的碳的過飽和固溶體。BCT本質(zhì)上只是BCC，但在一個(gè)方向上拉長(zhǎng)了。馬氏體是BCT，因?yàn)樘荚游挥陂g隙位點(diǎn)，但由于碳原子大于常規(guī)BCC間隙位點(diǎn)，因此晶格需要扭曲。
馬氏體是一種亞穩(wěn)相，這意味著它不能通過熱力學(xué)預(yù)測(cè)，也不會(huì)出現(xiàn)在任何相圖上。亞穩(wěn)相的另一個(gè)名稱是非平衡結(jié)構(gòu)。 如果有足夠的時(shí)間，馬氏體最終會(huì)分解，但這在室溫下需要數(shù)千年的時(shí)間。
然而，如果馬氏體被加熱，鐵原子和碳原子將獲得足夠的能量來增加擴(kuò)散速率，從而 使原子重新排列成更穩(wěn)定的鐵素體相。
馬氏體非常堅(jiān)硬和易碎。 事實(shí)上，淬火馬氏體太脆，不能在大多數(shù)工程應(yīng)用中使用。通常，淬火后鋼會(huì)進(jìn)行回火?；鼗鹗且环N將鋼重新加熱（低于奧氏體化溫度）并緩慢冷卻的過程，以減少一些內(nèi)應(yīng)力。
7.什么是殘余奧氏體？
殘余奧氏體實(shí)際上是一個(gè)穩(wěn)定的（有時(shí)是亞穩(wěn)態(tài)）但是，在室溫下，它不會(huì)顯示在相圖上，因?yàn)槌Ｒ?guī)相圖假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。
隨著馬氏體體積膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致壓力增加，奧氏體變得更有可能。您可以看到上面的相圖，對(duì)于純鐵，表明增加壓力更喜歡奧氏體。通過碳添加，奧氏體在更低的溫度下也是穩(wěn)定的。如果奧氏體在室溫之前一直保持穩(wěn)定（這取決于鋼的成分），它將是一個(gè)平衡相。然而，即使殘余奧氏體在高壓和幾百攝氏度下是穩(wěn)定的，在許多情況下，由于在較低溫度下的擴(kuò)散速率緩慢，這將使亞穩(wěn)態(tài)殘余奧氏體能夠無(wú)限期地存在。
通常，殘余奧氏體是一個(gè)不受歡迎的微觀結(jié)構(gòu)特征，因?yàn)樗锐R氏體軟得多。 隨著碳含量的增加，殘余奧氏體的可能性越來越大。
測(cè)試殘余奧氏體/馬氏體的一種簡(jiǎn)單方法是使用 X 射線衍射 （XRD）。由于馬氏體是BCT，奧氏體是FCC ，它們的不同晶格參數(shù)很容易在XRD上顯示出來。對(duì)曲線進(jìn)行積分甚至可以提供馬氏體與殘余奧氏體分?jǐn)?shù)的定量值。
8.碳含量如何影響淬火鋼的硬度？
一般來說，更多的碳會(huì)導(dǎo)致更硬、更脆的鋼。然而，更多的碳也會(huì)導(dǎo)致更多的殘余奧氏體。此外，碳百分比的變化會(huì)改變馬氏體板條形狀并增加微裂化。
超過某個(gè)點(diǎn)，額外的碳會(huì)削弱鋼，如在非合金碳鋼中，在鹽水中淬火的最大硬度約為1 at.%碳。
9.淬火的步驟是什么？
作為參考，這里是鐵碳相圖的相關(guān)部分。
首先，將合金加熱到比臨界溫度高30-50°C。此區(qū)域如上圖所示。我們不想在這個(gè)溫度下停留太久，因?yàn)樗赡軙?huì)導(dǎo)致谷物生長(zhǎng)。
如果您正在研究對(duì)氧化敏感的合金，您可能需要在真空中加熱合金。有些熔爐可以在真空下加熱，但更簡(jiǎn)單的（ 小規(guī)模）方法是將合金封裝在已抽真空或充滿惰性氣體（如氬氣）的石英管中。
合金需要快速冷卻?？刂评鋮s速度的主要方法是使用不同的淬火介質(zhì)。 鹽水通常是最快的實(shí)際淬火介質(zhì)。液氮是一種相對(duì)緩慢的淬火介質(zhì)， 因?yàn)樗膶?dǎo)熱系數(shù)和比熱較低。
如果合金冷卻得太快，它可能會(huì)開裂。如果它冷卻得太慢，你可能不會(huì)得到很多亞穩(wěn)相。確定材料最佳淬火速度的最佳方法是使用時(shí)間-溫度-轉(zhuǎn)變（TTT）圖表。
10.什么是TTT曲線？
時(shí)間-溫度變換（TTT）圖是一種圖表，顯示了在特定冷卻速率下將存在哪些相（包括亞穩(wěn)相）。
溫度顯示在y軸上，時(shí)間顯示在x軸上。出現(xiàn)不同的階段，通常以稱為“鼻子”的特征出現(xiàn)。
底部水平線是馬氏體析出的時(shí)間。如果淬火速度足夠快，以至于錯(cuò)過了鼻子（紅線），則除了馬氏體之外，您不會(huì)沉淀其他相。如果你做一個(gè)較慢的淬火，如藍(lán)線所示，你會(huì)得到其他相，如鐵素體和滲碳體（我們稱鐵素體和滲碳體的混合物為“珠光體 ?。
紫色線表示僅析出馬氏體所需的最小淬火速率。在這種情況下，這意味著在5秒內(nèi)淬火500°C。 淬火速度超過此速度不會(huì)對(duì)存在的相分?jǐn)?shù)產(chǎn)生影響，但更快的淬火可能會(huì) 導(dǎo)致過大的內(nèi)應(yīng)力和開裂。
如果鋼的淬火速度不夠快，可能會(huì)導(dǎo)致貝氏體或珠光體的形成（這些不一定是壞相——它們比馬氏體更弱但更堅(jiān)韌）。
11.最后的思考
淬火是工程合金，尤其是鋼最重要的工具之一 。淬火是通過加熱金屬并在淬火介質(zhì)（如水或油）中快速冷卻來完成的。
適當(dāng)?shù)拇慊鹂梢跃_控制合金中存在的最終微觀結(jié)構(gòu)和相。
