在电视上 ，你可能见过刀匠将一把炽热的剑浸入水或油中。这被称为“淬火 ˮ（如果您认为这被称为“淬火 ˮ , 请不要感到难过，这是一个常见的错误）。淬火是一种重新排列材料原子结构的古老方法。
淬火是快速冷却材料（通常是金属）以获得理想的机械性能（如增加的强度和硬度）的过程。
大多数人认为淬火只是将炽热的钢浸入一桶水中 ，但材料科学家可以在水 、油、 液氮甚至空气中淬火。淬火是许多材料的重要加工步骤。淬火可以细化晶粒或操纵相变。 一个非常重要的相变是钢中的马氏体到奥氏体 ，我将在后面深入讨论。
为了确定淬火对金属的影响，材料科学家可以使用测试或时间-温度-转变（TTT）曲线。
我们稍后会谈到这些技术术语，但首先让我们看看你可以用淬火做的所有很酷的事情。
本文我们将围绕以下几点和大家共同学习“淬火 ˮ：
1.淬火的目的是什么？
2.淬火的历史是什么？
3.什么是淬火介质？
4.钢淬火过程中会发生什么？
5.马氏体相变的特征是什么？
6.马氏体体的主要特点是什么？
7.什么是残余奥氏体？
8.碳含量如何影响淬火钢的硬度？
9.淬火的步骤是什么？
10.我们需要多快淬火才能获得马氏体（什么是TTT曲线）？
11.最后的思考
1.淬火的目的是什么？
当大多数人想到淬火时，他们可能会想象一个铁匠将一块炽热的钢片放入一桶水中。淬火的范围比这要广泛得多，但让我们从这个例子开始，探索淬火在钢中可以做什么。
淬火可以做的第一件事是细化晶粒。
如果你不知道，金属就是晶体。与您通常想到的晶体（如宝石）不同，金属是“ 多晶 ˮ。这意味着金属由许多微小的晶体组成。 我们称这些小晶体中的每一个都为“颗粒 ˮ。
事实证明，重复模式是原子排列自己的一种非常稳定的方式。 三种最常见的晶体结构是体心立方（BCC）、面心立方（FCC）和六方紧密堆积（HCP）。
原子的排列方式会对材料性能产生巨大影响——看看金刚石与石墨就知道了！材料科学的一个主要部分是通过改变晶体结构来影响材料性能。
当外行人谈论水晶时，他或她通常指的是宝石——钻石、红宝石、蓝宝石或盐。这些是一种特殊类型的晶体：单晶体。单晶在整个材料中具有不间断的原子模式。
更常见的是，金属等材料是多晶。这些材料仍然具有重复的结构，但该结构被分解成不同的晶粒。
当相凝固时，它开始时只有几个原子。这些原子聚集在一起 然后生长。 所有加入这个簇的原子都将具有相同的方向，并且它们将形成一个颗粒。 在某些时候，谷物会碰到另一个谷物。
如果相凝固得更慢，则初始晶粒会更少，并且每个晶粒会更大。如果相凝固得更快，就会有许多初始晶粒，每个晶粒都会更小。
一般来说，较小的晶粒意味着更坚固、延展性较差的金属。 我希望我已经用我自制的动画来说明这一点，但如果你想自己查一下，它被称为霍尔-佩奇效应。
现在，在我的解释中，我可能暗示了一些不正确的东西。当你从液体中产生固相时，这种晶粒成核和生长模型看起来非常好，但这不是通常的淬火。
例如：在钢中，淬火将我们从一种固相带到另一种固相。这仍然会导致晶粒细化，但它也具有更重要的含义。
钢始于一个称为“铁素体ˮ 的阶段。当你加热钢时，它会变成一个新的相，即 “奥氏体 ˮ。奥氏体可以比铁素体溶解更多的碳——这很好。 如果你冷却奥氏体 ，你就会再次得到铁素体——只要你冷却钢足够慢，使碳有时间离开金属。
另一方面，如果你快速冷却钢，你会得到一个新的阶段 ：“马氏体ˮ。马氏体非常坚硬，压力很大。马氏体基本上是铁素体，内部含有过多的碳。所有这些碳都会使晶体扭曲，因此我们称之为新相马氏体。
这种扭曲的晶体非常坚硬，但很脆。剑、刀和其他工具由马氏体钢制成，以获得高强度。
但是如果你看一下相图，你不会看到马氏体。马氏体不是热力学稳定的相，但您仍然可以在最终产品中达到它。告诉您奥氏体的图表称为时间-温度-变换图，或TTT曲线。我们稍后会讨论TTT图。
因此，我们已经了解到淬火可以使晶粒变小，并且可以产生应力更强的相。这两种效果都会使钢更坚固，但延展性较差。
在某些情况下，淬火可以使材料更具延展性和柔软性。 在大多数钢的情况下，您会看到淬大速度使您可以获得亚稳态马氏体，二不是热力学上有利的铁素体。
但是，在其他材料（或一些独特的钢）中，淬火可以让您避免强化或脆化阶段。
看看高温合金，镍基高温合金有一个非常好的相，称为 γ'（发音为“gamma-primeˮ) 。这是热力学稳定的阶段 ，但还有其他称为TCP的“坏 ˮ 阶段。从技术上讲，这些使高温合金更坚固 ，但它们也使高温合金更脆/延展性更差。
通常，材料科学家会微调强度（材料可以承受多大的力）与延展性（材料可以承受多大的变形）。TCP稍强一些但更脆，因此在99%的应用程序中，γ'比TCP更好。
当你制造高温合金时，如果你慢慢冷却它，可能会形成TCPs。它们通常在高于γ' 的温度下保持稳定。 不幸的是，一旦高温合金足够冷，γ'比TCP更稳定，扩散就会相当缓慢，TCP将永远持续下去。
但是，如果对高温合金进行淬火，则会跳过这个温度范围，在这个温度范围内，TCP 是稳定的，只能得到γ'。
淬火也可用于玻璃中的热钢化。是的，这个术语很奇怪， 因为我们通常使用 “ 回火 ˮ这个词来指使金属在淬火后变弱，但热回火是一种使玻璃更坚固的方法。
2.淬火的历史是什么？
淬火早在科学家知道它是如何工作的之前就已经存在了。 如果你也不懂淬火，也不要感到难过！老铁匠和刀匠通过反复试验来学习技术，并严密保护他们的技术。 一些传说声称，伟大的剑匠会将剑淬火到奴隶的身体中（ 实际上，这可能是有效的，或者至少血有时可能比水更好，请参阅下面关于淬火介质的部分）。
淬火剑会在剑中产生巨剧的压力。通常，不完美的剑会折断。可以使用不同的淬火方法或介质来减少钢破碎的可能性，但直到最近，这种冶金水平还被神秘主义所包围。
也许第一个书面提及淬火是在荷马的《奥德赛》中。铁匠将斧头或斧头放⼊冷水中以淬火它——因为正是这一点赋予了铁以力量。几个世纪以来，淬火一直是剑术的一个重要方面 ，但日本剑匠可能拥有最复杂的淬火技术。
日本刀是通过梯度淬火制成的。他们在剑刃上涂上粘土，使剑的背面淬火得更慢， 因此它有更坚韧的铁素体。剑的边缘是纯硬的马氏体，而剑的核心则更坚韧，更具延展性。
3.什么是淬火介质？
正如您将在下面的TTT曲线部分中了解到的那样，不同的淬火速率会产生不同的结果。不同的金属可以在不同的淬火中存活而不开裂。
在某些钢中，您可能需要马氏体与铁素体的不同比例。 当然，非钢金属的行为与钢有很大不同，并且需要自己的淬火方法。 大多数时候，淬火只是冷却材料的速度的函数。
通常，控制冷却速度的唯一方法是使用淬火介质（即桶中的东西）。从理论上讲，你可以改变淬火介质的温度，但你已经有了热金属，所以水温的几度变化并不重要。另一方面，比热或沸点的差异会对冷却速率产生很大差异。
最常见的淬火介质是水、 盐水（盐水）、油、液氮和空气。 这些介质中的每一种都有不同的优点和缺点。
01水
水是最常见的淬火介质之一， 因为它很容易获得并导致快速淬火。水不易燃，具有很大的比热和汽化热， 因此当水沸腾时，它会迅速冷却材料。然而，沸腾产生的气泡会降低导热性，最终导致淬火速度变慢。（这层由气泡引起的绝缘层称为莱顿弗罗斯特效应）。
02盐水
盐水只是加了盐的水。 它具有许多与水相同的优点，但盐会增加水的沸点，从而减少沸腾产生的气泡，并加快淬火速度。盐水淬火的一个缺点是盐有时会腐蚀或以其他方式与某些合金发生反应。
关于在血液中淬火剑的传说：由于血液也是水中溶解了电解质（盐），因此从淬火的角度来看，血液类似于弱盐水（尽管尿液会更像盐水）。血液中还含有大量有机化合 物 ，这些化合物可能会凝固并粘在刀片上，从而减少莱顿弗罗斯特效应。这些碳分子也有可能发生反应，在表面形成少量碳化物，尽管我怀疑这是否会很明显。 简而⾔之，血液中的淬灭可能会产生与水不同/更理想的淬火。
03油
有几种类型的油，但它们的比热都比水低，导致淬火速度较慢。 我见过业余刀匠使用机油、植物油、花生油——甚至使用一些学生最喜欢的炸鸡店回收的煎炸油！
油是一种很好的中速淬火剂，可以帮助避免开裂。油淬火的一个缺点是油的表面可能会着火，因此在进行油淬火时需要非常小心。
04液氮
液氮实际上比水淬火慢，因为氮气变成气体（导热系数低） ，热容和汽化热较低。然而，液氮最终导致的最终淬火比其他介质更冷，而这在一些钢合金中是必需的。例如，许多不锈钢在水无法达到的非常低的温度下才会析出马氏体。
05空气
通常，空气淬火是通过非常快速地将冷空气吹过样品来完成的。空气淬火通常用于工业环境中，因为空气非常便宜，并且通过控制产品不同部分的空气速度，您可以在不 同的地方获得不同的淬火率。空气淬火通常是最慢的淬火介质。
另一种空气淬火只是让零件在静止空气中冷却。我通常称其为“风冷ˮ而不是空气淬火，但有些合金即使在非常慢的冷却速率下也可以实现淬火的微观结构——在这种情况下 ，这种“空气淬火 ˮ术语很合适。
4.钢淬火过程中会发生什么？
这是钢的相图。x轴显示碳的百分比，y轴显示温度。
在淬火钢时，我们首先需要将其加热超过奥氏体化温度。在亚共析钢（共晶点的左侧）中，钢将具有奥氏体相。在超共析钢（共晶点右侧）中，钢将具有两相：奥氏体和渗碳体。
为了得到马氏体，钢在淬火时需要改变相。低于奥氏体化温度 ， 当它被淬火时不会发生任何事情。奥氏体是铁的面心立方（FCC）形式，通常用 γ 表示，比铁素体的体心立方（BCC）形式，（用α表示）可以溶解更多的碳原子。奥氏体可以溶解2%的碳，而铁素体可以溶解0.025%的碳。这是因为FCC与BCC结构中间隙位点的大小和数量
当我们淬火钢时，它会迅速冷却并希望从BCC奥氏体转变为FCC铁素体。然而，冷却速度太快，碳原子无法移开，因此它们基本上被困在FCC阶段。
含有碳的FCC铁不再被称为铁素体：现在这是马氏体！
马氏体是碳的过饱和溶液，它将体心立方晶格扭曲成体心四方晶格。根据钢的成分和淬火率，最终产品也可能含有铁素体或残余奥氏体。
5.马氏体相变的特征是什么？
这些类型的相变不涉及扩散。所有原子同时向同一方向移动。马氏体通常形成看起来 像板或针的结构。这些被称为板条。
随着马氏体的形成，它会在钢中产生内应力。这些应力抑制了进一步的相变。请记住，相图实际上有3个轴：成分、 温度和压力。在大多数材料科学相图中，我们只绘制成分和温度，因为我们假设压力只是大气压力，但内部应力的作用与外部压力相同。
新形成的maretniste对剩余的奥氏体施加压应力。这就是导致“保留ˮ奥氏体的原因。几乎总是有一些残余的奥氏体，因此100%的钢永远不会变成纯马氏体。
奥氏体比马氏体致密因此淬火后体积增加（这就是日本刀弯曲的原因：边缘处的马氏体较多，因此刀片的一部分比其他部分膨胀更多，导致弯曲的外观）。
由于马氏体体积膨胀引起的内应力，大块钢在淬火时甚至可能开裂。如果碳含量大于0.5wt%，则这种现象是一个特别重要的问题。
如果钢淬火太慢而无法获得马氏体，则最终会得到贝氏体或珠光体。当碳原子能够部分扩散出晶格时，就会发生贝氏体。当达到完全扩散时，就会出现珠光体。
6.马氏体的主要特点是什么？
马氏体是对钢进行常规淬火的最终产品。它是体心四方（ BCT）晶体结构中的碳的过饱和固溶体。BCT本质上只是BCC，但在一个方向上拉长了。马氏体是BCT，因为碳原子位于间隙位点，但由于碳原子大于常规BCC间隙位点，因此晶格需要扭曲。
马氏体是一种亚稳相，这意味着它不能通过热力学预测，也不会出现在任何相图上。亚稳相的另一个名称是非平衡结构。 如果有足够的时间，马氏体最终会分解，但这在室温下需要数千年的时间。
然而，如果马氏体被加热，铁原子和碳原子将获得足够的能量来增加扩散速率，从而 使原子重新排列成更稳定的铁素体相。
马氏体非常坚硬和易碎。 事实上，淬火马氏体太脆，不能在大多数工程应用中使用。通常，淬火后钢会进行回火。回火是一种将钢重新加热（低于奥氏体化温度）并缓慢冷却的过程，以减少一些内应力。
7.什么是残余奥氏体？
残余奥氏体实际上是一个稳定的（有时是亚稳态）但是，在室温下，它不会显示在相图上，因为常规相图假设标准大气压。
随着马氏体体积膨胀产生的内应力导致压力增加，奥氏体变得更有可能。您可以看到上面的相图，对于纯铁，表明增加压力更喜欢奥氏体。通过碳添加，奥氏体在更低的温度下也是稳定的。如果奥氏体在室温之前一直保持稳定（这取决于钢的成分），它将是一个平衡相。然而，即使残余奥氏体在高压和几百摄氏度下是稳定的，在许多情况下，由于在较低温度下的扩散速率缓慢，这将使亚稳态残余奥氏体能够无限期地存在。
通常，残余奥氏体是一个不受欢迎的微观结构特征，因为它比马氏体软得多。 随着碳含量的增加，残余奥氏体的可能性越来越大。
测试残余奥氏体/马氏体的一种简单方法是使用 X 射线衍射 （XRD）。由于马氏体是BCT，奥氏体是FCC ，它们的不同晶格参数很容易在XRD上显示出来。对曲线进行积分甚至可以提供马氏体与残余奥氏体分数的定量值。
8.碳含量如何影响淬火钢的硬度？
一般来说，更多的碳会导致更硬、更脆的钢。然而，更多的碳也会导致更多的残余奥氏体。此外，碳百分比的变化会改变马氏体板条形状并增加微裂化。
超过某个点，额外的碳会削弱钢，如在非合金碳钢中，在盐水中淬火的最大硬度约为1 at.%碳。
9.淬火的步骤是什么？
作为参考，这里是铁碳相图的相关部分。
首先，将合金加热到比临界温度高30-50°C。此区域如上图所示。我们不想在这个温度下停留太久，因为它可能会导致谷物生长。
如果您正在研究对氧化敏感的合金，您可能需要在真空中加热合金。有些熔炉可以在真空下加热，但更简单的（ 小规模）方法是将合金封装在已抽真空或充满惰性气体（如氩气）的石英管中。
合金需要快速冷却。控制冷却速度的主要方法是使用不同的淬火介质。 盐水通常是最快的实际淬火介质。液氮是一种相对缓慢的淬火介质， 因为它的导热系数和比热较低。
如果合金冷却得太快，它可能会开裂。如果它冷却得太慢，你可能不会得到很多亚稳相。确定材料最佳淬火速度的最佳方法是使用时间-温度-转变（TTT）图表。
10.什么是TTT曲线？
时间-温度变换（TTT）图是一种图表，显示了在特定冷却速率下将存在哪些相（包括亚稳相）。
温度显示在y轴上，时间显示在x轴上。出现不同的阶段，通常以称为“鼻子”的特征出现。
底部水平线是马氏体析出的时间。如果淬火速度足够快，以至于错过了鼻子（红线），则除了马氏体之外，您不会沉淀其他相。如果你做一个较慢的淬火，如蓝线所示，你会得到其他相，如铁素体和渗碳体（我们称铁素体和渗碳体的混合物为“珠光体 ˮ。
紫色线表示仅析出马氏体所需的最小淬火速率。在这种情况下，这意味着在5秒内淬火500°C。 淬火速度超过此速度不会对存在的相分数产生影响，但更快的淬火可能会 导致过大的内应力和开裂。
如果钢的淬火速度不够快，可能会导致贝氏体或珠光体的形成（这些不一定是坏相——它们比马氏体更弱但更坚韧）。
11.最后的思考
淬火是工程合金，尤其是钢最重要的工具之一 。淬火是通过加热金属并在淬火介质（如水或油）中快速冷却来完成的。
适当的淬火可以精确控制合金中存在的最终微观结构和相。
