【行业资讯】浅谈工业热处理“四把火”：退火、正火、淬火、回火

一、引言

1.1 研究背景与目的

在现代工业生产中，金属材料作为基础支撑，其性能优劣直接决定了产品的质量与使用寿命。从日常使用的电子产品，到航空航天领域的关键零部件，金属材料无处不在。而工业热处理作为挖掘金属材料性能潜力的关键技术，犹如一把神奇的钥匙，能够开启金属材料性能提升的大门。

退火、正火、淬火、回火这 “四把火”，是工业热处理领域的核心工艺。它们通过对金属材料进行精心的加热、保温与冷却操作，巧妙地改变金属的内部组织结构，从而赋予金属材料各种各样的优良性能。研究这 “四把火”，不仅能够深入理解金属材料性能变化的内在机制，还能为工业生产提供精准的工艺指导，对于提高产品质量、降低生产成本、推动工业技术进步具有不可估量的重要意义。

1.2 工业热处理概述

工业热处理的基本原理，是基于金属材料在加热和冷却过程中，内部原子的排列方式和组织结构会发生相应的变化。当金属被加热到一定温度时，原子的活动能力增强，晶格结构开始发生转变，原本的组织结构逐渐被打破，形成新的组织形态。在冷却过程中，原子又会按照不同的方式重新排列，最终形成不同的晶体结构和组织形态。

这种微观层面的组织结构变化，直接反映在金属材料的宏观性能上，如硬度、强度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性等。通过合理控制热处理的温度、时间、冷却速度等参数，可以精确地调控金属材料的组织结构，从而获得满足各种工业需求的性能。

在机械制造行业，工业热处理起着举足轻重的作用。许多关键零部件，如发动机的曲轴、齿轮，机床的主轴、刀具等，都需要经过严格的热处理工艺，才能获得足够的强度、硬度和耐磨性，以保证机械设备的高效、稳定运行。在航空航天领域，对金属材料的性能要求更为苛刻，热处理工艺更是确保飞行器零部件在极端环境下安全可靠工作的关键保障。此外，汽车制造、船舶工业、电子电器等行业，也都离不开工业热处理技术的支持，它已成为现代工业生产中不可或缺的重要环节。

二、退火：金属的温柔重塑

2.1 退火的定义与原理

退火，是一种将金属材料加热到适当温度，保温一定时间后，以极为缓慢的速度冷却的热处理工艺。其原理基于金属在加热和冷却过程中，原子的活动能力和排列方式会发生显著变化。当金属被加热时，原子获得足够的能量，开始活跃起来，晶格结构逐渐变得不稳定。在保温阶段，原子有足够的时间进行扩散和重新排列，从而消除金属内部由于加工、铸造、锻造等过程产生的各种缺陷和应力集中点。

在缓慢冷却过程中，原子会按照更为有序、稳定的方式重新排列，形成更加均匀、稳定的晶体结构。这种微观层面的结构调整，使得金属的硬度降低，塑性和韧性大幅提升，同时内应力也得到有效消除，为后续的加工和使用奠定了良好的基础。例如，对于一些在冷加工过程中产生严重加工硬化的金属材料，通过退火处理，可以使材料恢复到易于加工的状态，提高材料的加工性能和使用寿命。

2.2 退火的分类与工艺特点

2.2.1 完全退火

完全退火是将亚共析钢加热到 Ac3（临界温度）以上 30 - 50℃，保温一段时间，使钢的内部组织全部转变为单一均匀的奥氏体。随后，随炉缓慢冷却到 500℃以下，再在空气中冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺，又叫重结晶退火。

完全退火的主要目的是细化奥氏体晶粒，消除魏氏组织，使热加工后因冷却速度较快而导致的硬度较高的组织得到软化，降低硬度，提高塑性，便于后续的切削加工。同时，消除内应力，使组织均匀化，为后续的淬火等热处理工序做好组织准备。该工艺主要应用于亚共析钢的铸、锻件，如挖掘机底座、镗床镗杆等大型零部件。在实际操作中，加热速度需参照钢材成分、工件尺寸等因素确定，一般对于大型合金钢铸、锻件，加热速度通常不超过 100℃/ 小时；保温时间则依照工件形状、尺寸、钢种等因素决定，碳钢可按工件厚度每 25 毫米一小时计算，合金钢由于要考虑奥氏体均匀化时间，按工件厚度每 20 毫米一小时计算；冷却速度大致控制为碳钢 100 - 200℃/ 小时，合金钢 50 - 100℃/ 小时，高合金钢 20 - 60℃/ 小时 ，铸钢件 80 - 120℃/ 小时，以保证奥氏体在适当的过冷情况下进行珠光体转变，避免获得硬度较高的弥散度较大的珠光体组织。

2.2.2 球化退火

球化退火是将共析或过共析成分的碳钢及合金钢加热到 Ac1 以上 20 - 30℃，保温后随炉缓冷，使钢中碳化物球化的一种热处理工艺。该工艺主要用于工模具、轴承件及结构钢冷挤压件等，目的是降低硬度，提高塑性，改善切削加工性能，减少淬火时的变形开裂倾向性，使钢得到相当均匀的最终性能。

在球化退火过程中，加热温度和保温时间的控制至关重要。加热温度过高或保温时间过长，会导致碳化物聚集长大，影响球化效果；加热温度过低或保温时间不足，则球化不完全。球化退火后的组织为颗粒状碳化物均匀分布在铁素体基体上，这种组织具有良好的综合性能，在后续的加工和使用中表现出优异的性能。例如，对于高碳工具钢，经过球化退火后，其切削性能得到显著改善，刀具的使用寿命也大幅提高。

2.2.3 去应力退火

去应力退火又称低温退火，是将金属材料加热到 Ac1 以下 100 - 200℃（一般为 500 - 600℃），保温后随炉缓冷的热处理工艺。其主要目的是消除金属材料在热锻、热变形、冷成形、焊接、切削加工等过程中产生的残余应力，保持工件尺寸稳定，防止变形和开裂。

在去应力退火过程中，金属内部的原子通过局部塑性变形或弛豫过程，使残余应力得到松弛和消除。虽然去应力退火并不能完全消除工件内部的残余应力，但能大部分消除，满足一般工程应用的要求。对于一些对尺寸精度和稳定性要求较高的精密零件，如精密量具、模具等，去应力退火是一道不可或缺的工序。例如，在焊接大型结构件后，通过去应力退火可以有效消除焊接残余应力，提高结构件的可靠性和使用寿命。

2.3 退火的应用场景

退火在工业生产中有着广泛的应用场景，涵盖了众多领域。在机械制造领域，大型锻件和粗铸件在加工前通常需要进行退火处理，以降低硬度，改善切削加工性能，如大型曲轴、齿轮等锻件，通过完全退火可以细化晶粒，消除锻造应力，提高加工精度和表面质量。

在板材和棒材的生产过程中，退火可以降低硬度，提高塑性和韧性，使其更易于进行冷加工成型，如汽车车身板材、建筑用钢筋等。对于冷加工材料，如冷拉钢丝、冷轧钢板等，退火能够消除内应力，恢复材料的塑性，防止在后续加工或使用过程中发生断裂或变形。在电子电器领域，一些精密零部件，如芯片引脚、电子元件的金属外壳等，也需要进行退火处理，以保证其尺寸精度和性能稳定性。

三、正火：让金属 强身健体

3.1 正火的定义与原理

正火，是将金属材料加热到临界温度（Ac3 或 Accm）以上 30 - 50℃，保温适当时间后，在空气中冷却的一种热处理工艺。从微观角度来看，当金属被加热到临界温度以上时，内部组织会转变为奥氏体。在保温阶段，奥氏体晶粒逐渐均匀化。随后在空气中冷却的过程中，由于冷却速度相对较快，奥氏体发生相变，形成比退火组织更细的珠光体组织。这种细珠光体组织的片层间距较小，使得金属的强度和硬度得到提高，同时韧性也能保持在一定水平。

例如，对于亚共析钢，正火可以使其晶粒细化，减少铁素体含量，增加珠光体含量并使其细化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。在这个过程中，快速冷却抑制了奥氏体晶粒的长大，使得最终获得的组织更加细密，性能得到显著提升。

3.2 正火与退火的区别

正火和退火虽然都是热处理工艺中的重要手段，但它们在多个方面存在明显的区别。

在冷却速度方面，退火是随炉缓慢冷却，冷却速度非常缓慢，使得原子有足够的时间进行扩散和重新排列，以获得接近平衡状态的组织。而正火是在空气中冷却，冷却速度相对较快，这种较快的冷却速度导致奥氏体在较高的过冷度下发生相变，从而形成更细的组织。

从组织形态来看，退火后的组织通常较为粗大，因为缓慢的冷却速度使得奥氏体晶粒有充分的时间长大。而正火后的组织则较为细小，珠光体片层间距更小，这是由于正火冷却速度快，抑制了晶粒的长大和组织的粗化。

在性能影响上，退火主要是降低金属的硬度，提高塑性，消除内应力，使金属的组织和性能更加均匀。正火则在提高金属强度和硬度的同时，还能改善其韧性，使金属具有更好的综合力学性能。例如，对于低碳钢，退火后硬度较低，塑性较好；正火后硬度有所提高，切削加工性能得到改善。

在生产周期上，退火由于冷却速度慢，需要长时间在炉中冷却，生产周期较长，占用设备时间多，成本相对较高。而正火在空气中冷却，不占用加热设备，生产周期短，设备利用率高，成本较低，在生产中更具经济性。

3.3 正火的应用范围

正火在工业生产中有着广泛的应用领域，能够显著改善各类金属材料的性能。

对于低碳钢而言，正火可以提高其硬度，使其达到 140 - 190HBW，接近最佳切削加工硬度范围，有效避免切削时的 “粘刀” 现象，从而改善切削加工性能。在机械制造中，许多需要进行切削加工的低碳钢零件，如轴类、齿轮坯等，在加工前常进行正火处理，为后续的精密加工提供良好的基础。

中碳钢在既可用正火又可用退火的场合下，正火更为经济和方便。对于一些受力不大、性能要求不高的中碳钢结构件，正火可以作为最终热处理，提高其综合机械性能。例如，普通的支架、连接件等，通过正火处理后，强度和硬度得到提升，能够满足实际使用需求，同时减少了生产工序，降低了成本。

在工具钢和轴承钢的生产中，正火主要用于消除组织中的网状碳化物，为后续的球化退火作组织准备。例如，高碳工具钢在锻造后，组织中往往存在网状碳化物，这会降低钢的韧性和切削性能。通过正火处理，可以消除网状碳化物，使组织更加均匀，为球化退火创造良好的条件，从而提高工具钢和轴承钢的使用寿命和性能稳定性。

渗碳钢经过正火处理后，能够细化晶粒，改善组织均匀性，提高表面硬度和耐磨性，同时保持心部的韧性。在汽车制造中，许多齿轮、轴类零件采用渗碳钢制造，经过正火和渗碳处理后，零件表面具有高硬度和耐磨性，能够承受较大的摩擦力和载荷，心部则具有良好的韧性，能够承受冲击和弯曲应力，满足汽车零部件在复杂工况下的使用要求。

对于铸钢件，正火可以细化铸态组织，消除铸造过程中产生的粗大晶粒和缺陷，改善切削加工性能。大型铸钢件在铸造后，内部组织往往较为粗大，存在成分偏析和内应力，通过正火处理，可以使晶粒细化，成分均匀化，内应力得到消除，提高铸钢件的质量和性能，使其能够满足各种工程结构的使用要求。

四、淬火：赋予金属强硬实力

4.1 淬火的定义与原理

淬火是一种将金属材料加热到临界温度（Ac3 或 Ac1）以上，保温一定时间后，迅速冷却，以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。从微观角度来看，当金属被加热到临界温度以上时，内部组织转变为奥氏体。在保温阶段，奥氏体组织均匀化。随后，快速冷却使奥氏体以大于临界冷却速度的速率转变为马氏体或贝氏体。

以碳钢为例，在快速冷却过程中，奥氏体中的碳原子来不及扩散，被迫保留在晶格中，形成过饱和固溶体，即马氏体。这种马氏体组织具有高强度、高硬度的特点，使得金属材料的硬度和耐磨性大幅提高。例如，高速钢刀具通过淬火处理，硬度可达到 62 - 65HRC，能够满足高速切削的要求。

4.2 淬火的冷却介质与淬火方法

4.2.1 淬火冷却介质

淬火冷却介质在淬火过程中起着至关重要的作用，不同的冷却介质具有不同的冷却特性，直接影响着淬火后金属的组织和性能。水是一种冷却能力较强的淬火介质，来源广泛、价格低廉且成分稳定不易变质。在高温区（500 - 650℃），水的冷却速度较快，能够使金属迅速降温，满足快速冷却的要求，适用于截面尺寸不大、形状简单的碳素钢工件的淬火冷却。但在 C 曲线的 “鼻子” 区（500 - 600℃左右），水处于蒸汽膜阶段，冷却不够快，会形成 “软点”；而在马氏体转变温度区（300 - 100℃），水处于沸腾阶段，冷却太快，易使马氏体转变速度过快而产生很大的内应力，致使工件变形甚至开裂。

盐水和碱水是在水中加入适量的食盐和碱制成的淬火介质。当高温工件浸入该冷却介质后，在蒸汽膜阶段析出盐和碱的晶体并立即爆裂，将蒸汽膜破坏，工件表面的氧化皮也被炸碎，这样可以提高介质在高温区的冷却能力。盐水的浓度一般为 10％，苛性钠水溶液的浓度为 10％ - 15％，可用作碳钢及低合金结构钢工件的淬火介质，使用温度不应超过 60℃，淬火后应及时清洗并进行防锈处理，但其缺点是介质的腐蚀性大。

油冷却介质一般采用矿物质油，如机油、变压器油和柴油等。机油常用 10 号、20 号、30 号，油的号越大，黏度越大，闪点越高，冷却能力越低，使用温度相应提高。油的冷却速度相对较慢，在过冷奥氏体不稳定区冷却速度明显低于水，而在低温马氏体转变区冷速与水相接近。这使得油淬火可以减少工件的变形和开裂倾向，适用于形状复杂的合金钢工件的淬火，能获得较高的淬透性和淬硬性，又大大减少了变形。目前使用的新型淬火油主要有高速淬火油、光亮淬火油和真空淬火油三种。高速淬火油在高温区冷却速度得到提高，可通过选取不同类型和不同黏度的矿物油以适当配比相互混合，或在普通淬火油中加入添加剂（如磺酸的钡盐、钠盐、钙盐以及磷酸盐、硬脂酸盐等）来实现；光亮淬火油能使工件在淬火后保持光亮表面，通过在矿物油中加入不同性质的高分子添加物（主要成分是光亮剂，还含有抗氧化剂、表面活性剂和催冷剂等）来获得不同冷却速度；真空淬火油用于真空热处理淬火，必须具备低的饱和蒸汽压，较高而稳定的冷却能力以及良好的光亮性和热稳定性。

盐浴和碱浴淬火介质一般用在分级淬火和等温淬火中，能使淬火温度均匀。新型淬火剂如聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液等也逐渐得到应用。聚乙烯醇常用质量分数为 0.1％ - 0.3％之间的水溶液，其冷却能力介于水和油之间。当工件淬入该溶液时，工件表面形成一层蒸汽膜和一层凝胶薄膜，两层膜使加热工件冷却。进入沸腾阶段后，薄膜破裂，工件冷却加快，当达到低温时，聚乙烯醇凝胶膜复又形成，工件冷却速度又下降，所以这种溶液在高、低温区冷却能力低，在中温区冷却能力高，有良好的冷却特性。三硝水溶液由 25％硝酸钠 + 20％亚硝酸钠 + 20％硝酸钾 + 35％水组成，在高温（650 - 500℃）时由于盐晶体析出，破坏蒸汽膜形成，冷却能力接近于水；在低温（300 - 200℃）时由于浓度极高，流动性差，冷却能力接近于油，故其可代替水 - 油双介质淬火。

4.2.2 淬火方法

单液淬火是把已加热到淬火温度的工件淬入一种淬火介质，使其完全冷却，是最简单的淬火方法，常用于形状简单的碳钢和合金钢工件。根据零件传热系数大小、淬透性、尺寸、形状等选择合适的淬火介质，如形状简单的碳钢工件常用水淬，合金钢工件常用油淬。这种方法操作简单，易于实现机械化，应用广泛，但缺点是只有一种冷却速度，难以满足复杂工件对不同冷却速度的要求。

双介质淬火是把加热到淬火温度的工件，先在冷却能力强的淬火介质中冷却至接近 Ms 点，然后转入慢冷的淬火介质中冷却至室温，以达到不同淬火冷却温度区间，并有比较理想的淬火冷却速度。常用于形状复杂件或高碳钢、合金钢制作的大型工件，碳素工具钢也多采用此法。常用冷却介质有水 - 油、水 - 硝盐、水 - 空气、油 - 空气，一般用水作快冷淬火介质，用油或空气作慢冷淬火介质，较少采用空气。该方法可有效减少马氏体转变的内应力，减少工件变形开裂的倾向，但难以掌握双介质转换的时刻，转换过早容易淬不硬，转换过迟又容易淬裂。

马氏体分级淬火是将钢材奥氏体化，随之浸入温度稍高或稍低于钢的上马氏点的液态介质（盐浴或碱浴）中，保持适当时间，待钢件的内、外层都达到介质温度后取出空冷，过冷奥氏体缓慢转变成马氏体。一般用于形状复杂和变形要求严的小型工件，高速钢和高合金钢工模具也常用此法淬火。分级冷却的目的是使工件内外温度较均匀，同时进行马氏体转变，可以大大减小淬火应力，防止变形开裂。分级温度以前都定在略高于 Ms 点，工件内外温度均匀以后，进入马氏体区，现在改进为略低于 Ms 点的温度分级，实践表明，在 Ms 点以下分级的效果更好，如高碳钢模具在 160℃的碱浴中分级淬火，既能淬硬，变形又小，所以应用广泛。

贝氏体等温淬火是将工件淬入该钢下贝氏体温度的浴槽中等温，使其发生下贝氏体转变，一般在浴槽中保温 30 - 60min。主要步骤包括奥氏体化处理、奥氏体化后冷却处理、贝氏体等温处理，常用于合金钢、高碳钢小尺寸零件及球墨铸铁件。目的是为了获得下贝氏体，以提高强度、硬度、韧性和耐磨性，低碳钢一般不采用等温淬火。

局部淬火是对工件需要硬化的局部进行加热淬火的方法，主要用于局部表面淬火，如向工件喷射水流的喷射淬火法，水流可大可小，根据所要求的淬火深度而定，该方法不会在工件表面形成蒸汽膜，能够保证得到比普通水中淬火更深的淬硬层 。对于一些大型工件或只需要局部强化的工件，采用局部淬火可以减少整体淬火带来的变形和成本增加，提高生产效率和产品质量。

4.3 淬火后的金属特性及问题

淬火后的金属得到马氏体、贝氏体、残余奥氏体等不平衡组织。马氏体是碳在 α - Fe 中的过饱和固溶体，由于碳原子的过饱和，导致晶格严重畸变，产生较大的内应力。同时，快速冷却使得金属内部的组织转变不均匀，进一步加剧了内应力的产生。这种内应力的存在，使得金属的脆性增大，在后续的加工或使用过程中，容易发生变形甚至开裂。

例如，在机械加工中，如果淬火后的零件内应力没有得到有效消除，在切削加工过程中，由于切削力的作用，内应力重新分布，可能导致零件尺寸发生变化，影响加工精度。在实际使用中，承受载荷的淬火零件，也可能因为内应力的存在，在远低于材料屈服强度的情况下发生断裂，降低零件的可靠性和使用寿命。因此，淬火后的金属通常需要进行回火处理，以消除内应力，降低脆性，调整硬度和韧性，使其满足实际使用的要求。

4.4 淬火的应用领域

在切削工具领域，如高速钢刀具、硬质合金刀具等，通过淬火处理可以显著提高其硬度和耐磨性。高速钢刀具经过淬火和回火后，硬度可达 62 - 65HRC，能够在高速切削过程中保持锋利的刃口，有效提高切削效率和加工精度，满足各种金属材料的切削加工需求。

轴承作为机械设备中重要的零部件，需要具备高硬度、高耐磨性和良好的疲劳强度。淬火工艺能够使轴承钢获得细小的马氏体组织，提高表面硬度和耐磨性，同时保持心部的韧性，使其能够承受较大的载荷和频繁的冲击，广泛应用于汽车、机床、电机等领域。

齿轮在传动过程中，需要承受较大的摩擦力、弯曲应力和冲击载荷。通过淬火处理，齿轮表面获得高硬度的马氏体组织，提高耐磨性和接触疲劳强度，心部保持良好的韧性，以承受冲击和弯曲应力。汽车变速器中的齿轮，经过淬火和渗碳处理后，能够满足在复杂工况下的高强度、高耐磨要求，确保汽车的动力传输稳定可靠。

模具在成型过程中，需要承受高温、高压和摩擦等恶劣条件。淬火可以提高模具钢的硬度、强度和耐磨性，使其能够生产出高精度、高质量的产品。注塑模具、压铸模具等，经过淬火和回火处理后，具有良好的热稳定性和耐磨性，能够保证模具在长期使用过程中的尺寸精度和表面质量，提高模具的使用寿命和生产效率。

五、回火：为淬火后的金属 “降火”

5.1 回火的定义与原理

回火是将淬火后的金属加热到临界温度（Ac1）以下的适当温度，保温一定时间后，再以适当方式冷却的热处理工艺。其原理基于淬火后的金属组织处于不稳定状态，存在较大的内应力。通过回火加热，原子获得足够的能量进行扩散和重新排列，使马氏体分解，残余奥氏体转变，从而消除内应力，调整硬度、强度、塑性和韧性等性能，使金属组织达到相对稳定的状态。例如，在回火过程中，马氏体中的过饱和碳原子会逐渐析出，形成碳化物，从而降低马氏体的硬度和脆性，提高韧性。

5.2 回火的分类及作用

5.2.1 低温回火

低温回火是在 150 - 250℃的温度范围内进行的回火处理。在这个温度区间，马氏体开始分解，析出细小的碳化物，同时内应力得到一定程度的消除。低温回火后的组织为回火马氏体，它在保持淬火钢高硬度（58 - 64HRC）和高耐磨性的前提下，降低了淬火内应力和脆性，以免使用时崩裂或过早损坏。主要用于各种高碳的切削刃具、量具、滚动轴承以及渗碳件等。例如，高速钢刀具在淬火后进行低温回火，能够保持其锋利的刃口和高耐磨性，满足高速切削的要求。

5.2.2 中温回火

中温回火的温度范围一般在 350 - 500℃之间。在这个温度下，回火马氏体中的碳化物进一步聚集长大，内应力基本消除，获得的组织为回火屈氏体。回火屈氏体具有高的弹性极限、屈服强度及屈强比，同时具有一定的塑性和韧性，硬度一般为 35 - 45HRC。中温回火主要用于各种弹簧零件及热锻模具。例如，汽车发动机的气门弹簧，经过中温回火后，能够获得良好的弹性和强度，在工作过程中可靠地保持气门的关闭和开启。

5.2.3 高温回火

高温回火是将淬火后的金属加热到 500 - 650℃的回火工艺。在高温回火过程中，碳化物聚集长大更为明显，形成球状碳化物均匀分布在铁素体基体上的回火索氏体组织。回火索氏体具有良好的综合力学性能，强度、塑性和韧性都较好，硬度一般为 25 - 35HRC。通常把淬火后再进行高温回火的处理称为调质处理，广泛用于各种较重要的受力结构件，如连杆、螺栓、齿轮及轴类零件等。例如，汽车发动机的曲轴，经过调质处理后，能够承受较大的扭矩和冲击载荷，保证发动机的正常运转。

5.3 回火脆性及预防措施

5.3.1 回火脆性现象

淬火钢回火时，其冲击韧性并不总是随回火温度的升高而单调增大，有些钢在一定的温度范围内回火时，冲击韧性会显著下降，这种脆化现象叫做钢的回火脆性。钢的回火脆性主要分为两类：第一类回火脆性和第二类回火脆性。

第一类回火脆性又称不可逆回火脆性，通常发生在 250 - 400℃的回火温度范围内，几乎所有的工业用钢都会出现。产生第一类回火脆性的钢，断口大多为沿晶断裂，也有少数为穿晶解理断裂。一般认为，第一类回火脆性是由于马氏体分解时沿马氏体条或片的界面析出断续的薄壳状碳化物，降低了晶界的断裂强度，使之成为裂纹扩展的路径，因而导致脆性断裂；也有观点认为是韧性相残余奥氏体的转变所引起。钢中含有合金元素一般不能抑制低温回火脆性，但 Si、Cr、Mn 等元素可使脆化温度推向更高温度。

第二类回火脆性又称可逆回火脆性，多发生在 450 - 650℃的温度区间，主要在合金结构钢中出现，碳钢一般不出现。其主要特征是冲击吸收功 — 回火温度曲线上出现马鞍形，或冲击韧度降低；韧脆转变温度升高；断口通常是沿原奥氏体晶界的沿晶断口；晶粒边界上有杂质元素和某些合金元素的偏聚。高温回火脆性通常在回火保温后缓冷的情况下出现，若快速冷却，脆化现象将消失或受到抑制，因此这种回火脆性可以通过再次高温回火并快冷的办法消除，但是若将已消除脆性的钢件重新高温回火并随后缓冷时脆化现象又再次出现 。

5.3.2 预防措施

针对第一类回火脆性，目前还没有一种有效地消除方法，但可以采取一些措施来防止或减轻。如降低钢中杂质元素的含量；用 Al 脱氧或加入 Nb、V、Ti 等合金元素细化奥氏体晶粒；加入 Mo、W 等可以减轻第一类回火脆性的合金元素；加入 Cr、Si 以调整发生第一类回火脆性的温度范围，使之避开所需的回火温度；采用等温淬火代替淬火加高温回火。

对于第二类回火脆性，可以采用高温回火后快冷的方法来抑制，因为快速冷却可以避免杂质元素和合金元素在晶界的偏聚，从而防止脆化现象的发生，但这种方法不适用于对回火脆性敏感的较大工件，因为快速冷却可能会导致工件产生较大的内应力，从而引起变形或开裂；在钢中加入 Mo、W 等合金元素，这些元素能够阻碍杂质元素在晶界上偏聚，从而有效地抑制高温回火脆性；对亚共析钢采用亚温淬火方法，使 P 等杂质元素溶入残留的铁素体中，减轻 P 等杂质元素在原奥氏体晶界面上的偏聚，也可以减小高温回火脆性倾向。

六、“四把火” 的相互关系与协同应用

6.1 淬火与回火的紧密联系

淬火和回火是一对紧密相连的热处理工艺，它们相互配合，共同决定了金属材料的最终性能。淬火能够使金属材料获得高强度和高硬度，这是因为快速冷却使奥氏体转变为马氏体或贝氏体，这些组织具有较高的硬度和强度。然而，淬火后的金属内部存在着较大的内应力，且脆性较大，这使得其在实际应用中存在一定的局限性。

回火则是解决这些问题的关键。通过回火处理，能够消除淬火产生的内应力，降低金属的脆性，提高韧性，同时还可以根据不同的回火温度，调整金属的硬度和强度，使其满足各种实际使用要求。例如，在刀具制造中，先通过淬火使刀具获得高硬度，以保证切削性能；然后通过低温回火，在保持高硬度的同时，降低脆性，提高刀具的使用寿命。在模具制造中，淬火和回火的协同作用更为关键，不同的回火温度和时间可以使模具获得不同的硬度、强度和韧性组合，以适应不同的成型工艺和模具寿命要求。

6.2 退火、正火作为预备热处理

退火和正火常常作为预备热处理工序，为后续的加工或最终热处理奠定良好的基础。退火的主要作用是消除金属材料在前期加工过程中产生的内应力，降低硬度，改善切削加工性能，同时细化晶粒，使组织均匀化。对于一些经过锻造、铸造或焊接的金属零件，内部组织往往存在缺陷和应力集中，通过退火处理，可以有效地消除这些问题，为后续的机械加工提供良好的条件。

正火则在提高金属强度和硬度的同时，还能改善其切削加工性能，细化晶粒，消除组织缺陷。对于低碳钢和中碳钢，正火可以使其硬度适当提高，避免在切削加工过程中出现 “粘刀” 现象，提高加工精度和表面质量。在一些对零件综合性能要求较高的场合，正火还可以作为最终热处理的预处理，为后续的淬火、回火等工艺提供合适的组织形态。例如，在机械制造中，许多零件在粗加工前都需要进行退火或正火处理，以改善材料的加工性能，提高加工效率和产品质量。

6.3 实例分析：复杂零件的热处理工艺路线

以汽车发动机曲轴为例，其在汽车发动机中承担着最大的负荷和全部的功率，承受着强大的方向不断变化的弯矩和扭矩，同时承受着长时间的高速运转的磨损，对其性能要求极高。曲轴的制造过程中，“四把火” 都发挥着重要作用。

在锻造毛坯后，首先进行正火处理。正火可以细化锻造后的粗大晶粒，消除锻造应力，改善组织均匀性，提高材料的综合性能，为后续的加工和热处理做好准备。例如，对于 40Cr 钢制造的曲轴，正火温度一般在 850 - 900℃，保温适当时间后在空气中冷却。

正火后进行粗加工，然后进行调质处理，即淬火加高温回火。淬火可以使曲轴获得马氏体组织，提高硬度和强度；高温回火则可以消除淬火内应力，获得良好的综合力学性能，使曲轴具有较高的强度、韧性和耐磨性。对于 40Cr 钢曲轴，淬火温度一般在 830 - 860℃，保温一定时间后油冷淬火，然后在 550 - 650℃进行高温回火。

调质处理后进行精加工，为了进一步提高曲轴表面的耐磨性和疲劳强度，还会进行表面淬火，如感应加热淬火。感应加热淬火可以使曲轴表面迅速加热到淬火温度，然后快速冷却，获得高硬度的马氏体组织，而心部仍保持良好的韧性。表面淬火后，再进行低温回火，以消除表面淬火产生的内应力，提高表面的稳定性和耐磨性。

在整个工艺过程中，“四把火” 相互配合，缺一不可。正火为调质处理提供了良好的组织基础，调质处理赋予了曲轴良好的综合力学性能，表面淬火和低温回火则进一步提高了曲轴表面的性能，满足了汽车发动机曲轴在复杂工况下的使用要求。

七、结论与展望

7.1 总结 “四把火” 的关键要点

退火、正火、淬火、回火这 “四把火”，是工业热处理领域的核心工艺，它们各自有着独特的原理、特点和应用范围，同时又相互关联，共同为提升金属材料性能服务。

退火通过缓慢加热和冷却，消除金属内部应力，降低硬度，提高塑性，使组织均匀化，为后续加工和热处理奠定基础，广泛应用于改善金属的切削加工性能和消除加工硬化。

正火以较快的冷却速度在空气中进行，细化晶粒，提高强度和硬度，改善切削性能，常用于低碳钢和中碳钢的预处理，以及对性能要求不高零件的最终热处理。

淬火将金属快速冷却，获得马氏体或贝氏体组织，大幅提高硬度和耐磨性，但会产生较大内应力和脆性，是制造刀具、轴承、齿轮等对硬度和耐磨性要求高的零部件的关键工艺。

回火紧接着淬火进行，消除淬火内应力，降低脆性，调整硬度和韧性，根据回火温度不同分为低温、中温和高温回火，分别适用于不同性能要求的零件。

淬火和回火紧密配合，共同决定金属的最终性能；退火和正火作为预备热处理，为后续加工和最终热处理创造良好条件。在实际工业生产中，根据金属材料的种类、零件的形状和尺寸以及具体的性能要求，合理选择和组合这 “四把火”，能够充分挖掘金属材料的性能潜力，满足各种复杂工况下的使用需求。

7.2 工业热处理的发展趋势

随着科技的不断进步和工业的快速发展，工业热处理技术也在不断创新和演进，呈现出以下几个重要的发展趋势。

在精准控制方面，随着计算机技术、传感器技术和自动化控制技术的飞速发展，热处理过程的精准控制成为可能。未来，通过采用先进的温度、时间、冷却速度等参数的精确控制系统，能够实现对金属组织结构和性能的更加精确调控，生产出性能更加稳定、质量更高的产品。例如，利用高精度的温度传感器实时监测热处理过程中的温度变化，通过智能控制系统自动调整加热和冷却速率，确保金属材料在最佳的工艺条件下进行处理。

节能环保是未来工业发展的重要方向，热处理行业也不例外。一方面，研发和应用新型的节能热处理设备和工艺，如采用高效的加热元件、优化的炉膛结构和先进的保温材料，提高能源利用效率，降低能耗。另一方面，加强对热处理过程中废气、废水、废渣等污染物的治理和回收利用，减少对环境的污染。例如，推广使用真空热处理、感应加热等节能技术，采用环保型的淬火介质和冷却技术，实现热处理过程的绿色化。

新材料的不断涌现对热处理技术提出了新的挑战和机遇。未来，热处理技术将与新材料的研发和应用紧密结合，针对不同新材料的特点和性能要求，开发出相应的热处理工艺和方法。例如，对于高温合金、钛合金、复合材料等新型材料，研究如何通过热处理来改善其组织结构和性能，提高其在航空航天、新能源、电子等领域的应用性能。同时，热处理技术也将促进新材料的开发和应用，为材料科学的发展提供有力支持。