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淬火是将钢奥氏体化（见图5－24A₃线以上）后快速冷却得到马氏体组织的热处理工艺，淬火及随后的回火一般是最终热处理，它可以显著地改善和提高力学性能，因而马氏体强化是钢的最主要的强化手段，淬火是钢最重要的热处理工艺。

为获得细小而均匀的奥氏体晶粒，钢的淬火温度应选择在临界温度线以上30～50℃，加热温度过高得到的是粗大针状马氏体，脆性大，而且其氧化脱碳的情况十分严重，工件变形倾向大，甚至会导致开裂。

通常，亚共析钢的淬火温度应在A_c3以上30～50℃，如图5－24所示，淬火后可得到细小均匀的马氏体组织，碳的质量分数超过0．5%时，还伴有少量残余奥氏体出现。如在A_c3以下淬火，在淬火组织中将出现铁素体，造成硬度与强度不足。

共析钢和过共析钢的淬火温度为A_c1以上30～50℃，如图5－24所示，淬火后得到的是细小均匀的马氏体、粒状二次渗碳体和少量残余奥氏体的混合组织，粒状渗碳体可以提高淬火马氏体的硬度和耐磨性，如果加热温度超过A_ccm线，则淬火后会获得粗大针状马氏体和较多的残余奥氏体，这不仅会降低钢的硬度、耐磨性和韧性，而且还增大淬火变形、开裂的倾向。

除了锰以外的大多数合金元素都会阻碍奥氏体晶粒长大，为了使合金元素充分溶入奥氏体中，合金钢加热温度通常在临界温度以上50～80℃。具体各种钢的加热温度可查看有关热处理手册。

2．淬火内应力与冷却介质

冷却是淬火工艺最重要的步骤，为得到马氏体组织，淬火冷却速度必须大于临界冷却速度v_k，但过高的冷却速度会造成较大的淬火内应力，从而引起工件的变形与开裂。

工件在淬火冷却过程中必然会发生收缩，工件表面与心部、薄件与厚件冷速不同，其收缩快慢就不一致，这会导致互相作用的内应力的产生。这种由于热胀冷缩不一致而形成的内应力称为热应力。

工件在冷却过程中要发生马氏体转变，而马氏体的比热容较奥氏体大，必然会产生体积膨胀。在工件表面或薄截面处冷却较快因而会先发生奥氏体向马氏体的转变，随之体积膨胀，导致体积膨胀先后不一致，这种由于工件各部位组织转变先后不一致而产生的内应力，称为组织应力。

钢淬火中的内应力是热应力和组织应力综合作用的结果。

淬火时要获得马氏体，冷却速度必须大于临界冷速v_k，但是快速冷却会引起过大的内应力。经研究发现，要获得马氏体并非在整个冷却过程都要快速冷却，理想的淬火冷却曲线如图5－25所示。由该曲线可知，在曲线“鼻尖”附近（400～650℃）的过冷奥氏体最不稳定区域要快速冷却，而在M_s附近则需要缓慢冷却，以减小马氏体转变时产生的组织应力。当然要找到这样的理想冷却介质是很困难的，通常广泛使用的冷却介质是水和油。

水是一种既经济而冷却能力又较强的冷却介质，不足之处是冷却能力在550～650℃范围内不够强，在200～300℃范围内又偏强，因而一般用于形状简单、截面尺寸较大的碳钢工件。水温过高冷却能力会显著下降，水温一般不能超过40℃。在水中加入适量的NaCl、NaOH或Na₂CO₃等物质，可明显提高在500～650℃范围内的冷却能力，如表5－2所示。

淬火油通常是机油、菜籽油、变压器油等各种矿物油，油的冷却能力较水差得多，因而弹簧钢往往很难淬透，但在M_s附近冷却缓慢，有利于临界冷却速度v_k较小的合金钢，形成复杂的中、小合金钢工件在油中淬火可大大减小淬火内应力，使变形、开裂倾向减少，油温宜控制在100℃以下，过高易着火。

碱浴和硝盐浴也是常用的冷却介质，在550～650℃范围内碱浴的冷却能力比油大，在200～300℃范围内碱浴与硝盐浴的冷却能力均比油小，常用于分级或等温淬火，它有利于减小淬火工件的变形，但只能用于形状复杂和变形要求严格的小件。

常用的淬火方法有单液、双液、分级、等温淬火等，如图5－26所示。

将奥氏体化后的工件在一种冷却介质中连续冷却获得的马氏体组织的淬火方法称单液淬火。这种方法操作简单，易于机械化，形状简单的碳钢可水淬，合金钢及小尺寸碳钢可油淬。

将奥氏体化的工件先在冷却能力较强的介质中冷却，跳过C曲线“鼻尖”部分，然后再淬入冷却能力较弱的介质中，发生马氏体转变，以减小淬火内应力，这种方法称为双液淬火。一般分别用水和油作为较强和较弱的冷却介质，这时可称为水淬油冷。这种操作的技术要求较高，掌握不好就会出现淬不硬和淬裂等现象。

将奥氏体化后的工件淬入稍高于M_s温度的硝盐浴中，待其表里温度一致后取出，缓慢冷却时会发生马氏体转变，这种淬火方法称为分级淬火。由于整个工件几乎是同时发生转变，不仅减小了工件内外温差造成的热应力，也降低了马氏体相变不均匀所造成的组织应力，可显著减小变形、开裂倾向，操作也容易掌握。但盐浴冷却能力有限，只能处理小件。

将奥氏体化后的工件淬入高于M_s温度的硝盐浴中，等温冷却以获得下贝氏体组织的淬火方法称为等温淬火。这种淬火方法能显著降低内应力，淬火变形小，同时得到的下贝氏体组织具有较高的韧性。例如，T7A钢制成的起子，原先淬火后低温回火，硬度为55～58HRC，扭转10°就断裂，加热到800～820℃，240℃等温淬火，硬度为55HRC，扭转90°不断。但等温淬火生产周期长，效率较低，一般只能用于形状复杂要求较高的小件。

生产中，工件在热处理时会出现一些缺陷，如过热、过烧；淬不硬、软化；氧化、脱碳；变形、开裂等，其中淬火变形与开裂是较严重的缺陷。

当淬火内应力大于钢材的屈服强度时，工件就会发生变形；当淬火内应力大于钢材的抗拉强度时，工件就会开裂。热应力作用的结果往往是使工件沿最大尺寸方向缩小，沿最小尺寸方向伸长，最终整个工件呈球形与鼓形，如图5－27（a）所示。组织应力引起的变形可使工件沿最大尺寸方向伸长，沿最小尺寸方向缩短，尖角突出平面凹入，如图5－27（b）所示。在二者综合作用下工件变形如图5－27（c）所示。

淬火内应力是淬火钢变形、开裂的根本原因，要减小工件的变形和防止工件的开裂，必须尽量减小淬火内应力，为此在工艺上应采取下列必要措施。

1．充分地锻造和必要的预备热处理

钢的原始组织缺陷如碳化物分布不均匀、组织不均匀、晶粒粗大等促使了淬火的变形与开裂，这可以通过锻造及正火或退火来均匀组织、细化晶粒，这对减小变形及防止开裂是有效的。

2．合理的热处理工艺

预热、安放平稳以减小加热时的变形；选择正确的加热温度与保温时间，一般加热温度不宜过高、保温时间不宜过长、加热速度不宜过快，尽量保持工件各部分温度均匀一致。

3．选择正确的冷却方式

冷却是减小变形、防止开裂的关键。在保证达到淬火要求的前提下，应尽可能采用缓慢的冷却方式，例如，预冷和在热介质（即热油、碱浴、硝盐浴等）中分级或等温淬火等。

控制热处理变形及防止开裂的措施还有很多，如掌握好淬火工件浸入淬火剂中的方式，用堵扎和绑扎的方式使各部分冷却速度尽量均匀，选择压床淬火及合宜的淬火夹具等。