浅谈淬火中晶体的结构变化

淬火是奥氏体和转变为马氏体的热处理工艺

淬火的概念：淬火是指将钢加热到临界温度以上，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。

淬火的目的是提高工件的机械和物理性能

1.提高工件的硬度和耐磨性，例如各种刀具、冷作模具。

2.赋予工件以需要的综合机械性能，例如中碳钢的调质。

3.使工件获得特殊的物理化学性能，例如对用磁钢进行淬火，可以增加其铁磁性。

淬火的本质是金属晶体结构的变化

要理解淬火的机理，需要了解淬火工艺涉及的金属结构变化。

金属通常是晶体结构的。根据结晶性，金属中的单个原子按照一定的规则进行排列，这种阵列成为晶格。晶格中相邻原子间的金属键，决定了金属的固有强度和韧性。

钢的热处理工艺包含三个独立的步骤，奥氏体化、淬火、回火，不同的步骤对应了不同的晶体结构。

1.奥氏体化

钢被加热到临界温度以上，铁素体的体心立方晶格结构会变成面心立方晶格结构，这个过程为奥氏体化。

在体心立方结构中，铁原子的间隙太小，碳原子无法溶入；当在临界温度以上，铁原子的间隙变大，不溶于体心立方结构的碳元素开始溶于面心立方结构。

2.淬火

碳元素一旦溶解则形成奥氏体，如果钢缓慢冷却到室温，碳元素从溶解状态析出，则晶体会恢复到原始的体心立方结构。

然而，如果钢被快速冷却，溶解的碳元素来不及析出而被留在奥氏体中，并被转化为亚稳态的体心立方结构，这时该晶体结构成为马氏体，此快速冷却的过程叫做淬火。

晶体结构示意图

3.回火

此时，亚稳态的马氏体晶格极度扭曲，虽然硬度高，但非常脆。通过回火，晶体可以在损失少量硬度的条件下恢复一定的韧性。

在临界温度下进行加热，恢复钢结构一定韧性的操作，称为回火。

通过上述3个步骤，我们可以理解，淬火实际控制的是晶体冷却速度，其决定了钢材的硬度和韧性，最终影响成品的质量。