不锈钢的性能与组织
不锈钢的性能与组织
2004-9-30

目前已知的化学元素有100多种，在工业中常用的钢铁材料中可以遇到的化学元素约二十多种。对于人们在与腐蚀现象作长期斗争的实践而形成的不锈钢这一特殊钢系列来说，最常用的元素有十几种，除了组成钢的基本元素铁以外，对不锈钢的性能与组织影响最大的元素是：碳、铬、镍、锰、硅、钼、钛、铌、钛、锰、氮、铜、钴等。这些元素中除碳、硅、氮以外，都是化学元素周期表中位于过渡族的元素。
　　实际上工业上应用的不锈钢都是同时存在几种以至十几种元素的，当几种元素共存于不锈钢这一个统一体中时，它们的影响要比单独存在时复杂得多，因为在这种情况下不仅要考虑各元素自身的作用，而且要注意它们互相之间的影响，因此不锈钢的组织决定于各种元素影响的总和。
　　1．各种元素对不锈钢的性能和组织的影响和作用
　　1-1.铬在不锈钢中的决定作用
　　决定不锈钢性属的元素只有一种，这就是铬，每种不锈钢都含有一定数量的铬。迄今为止，还没有不含铬的不锈钢。铬之所以成为决定不锈钢性能的主要元素，根本的原因是向钢中添加铬作为合金元素以后，促使其内部的矛盾运动向有利于抵抗腐蚀破坏的方面发展。这种变化可以从以下方面得到说明：
　　①铬使铁基固溶体的电极电位提高
　　②铬吸收铁的电子使铁钝化
　　钝化是由于阳极反应被阻止而引起金属与合金耐腐蚀性能被提高的现象。构成金属与合金钝化的理论很多，主要有薄膜论、吸附论及电子排列论。
　　1-2. 碳在不锈钢中的两重性
　　碳是工业用钢的主要元素之一，钢的性能与组织在很大程度上决定于碳在钢中的含量及其分布的形式，在不锈钢中碳的影响尤为显著。碳在不锈钢中对组织的影响主要表现在两方面，一方面碳是稳定奥氏体的元素，并且作用的程度很大（约为镍的30倍），另一方面由于碳和铬的亲和力很大，与铬形成—系列复杂的碳化物。所以，从强度与耐腐烛性能两方面来看，碳在不锈钢中的作用是互相矛盾的。
　　认识了这一影响的规律，我们就可以从不同的使用要求出发，选择不同含碳量的不锈钢。
　　例如工业中应用最广泛的，也是最起码的不锈钢——0Crl3～4Cr13这五个钢号的标准含铬量规定为12～14％，就是把碳要与铬形成碳化铬的因素考虑进去以后才决定的，目的即在于使碳与铬结合成碳化铬以后，固溶体中的含铬量不致低于11.7％这一最低限度的含铬量。
　　就这五个钢号来说由于含碳量不同，强度与耐腐蚀性能也是有区别的，0Cr13～2Crl3钢的耐腐蚀性较好但强度低于3Crl3和4Cr13钢，多用于制造结构零件，后两个钢号由于含碳较高而可获得高的强度多用于制造弹簧、刀具等要求高强度及耐磨的零件。又如为了克服18－8铬镍不锈钢的晶间腐蚀，可以将钢的含碳量降至0.03％以下，或者加入比铬和碳亲和力更大的元素（钛或铌），使之不形成碳化铬，再如当高硬度与耐磨性成为主要要求时，我们可以在增加钢的含碳量的同时适当地提高含铬量，做到既满足硬度与耐磨性的要求，又兼顾—定的耐腐蚀功能，工业上用作轴承、量具与刃具有不锈钢9Cr18和9Cr17MoVCo钢，含碳量虽高达0.85～0.95％，由于它们的含铬量也相应地提高了，所以仍保证了耐腐蚀的要求。
　　总的来讲，目前工业中获得应用的不锈钢的含碳量都是比较低的，大多数不锈钢的含碳量在0.1～0.4％之间，耐酸钢则以含碳0.1～0.2％的居多。含碳量大于0.4％的不锈钢仅占钢号总数的一小部分，这是因为在大多数使用条件下，不锈钢总是以耐腐蚀为主要目的。此外，较低的含碳量也是出于某些工艺上的要求，如易于焊接及冷变形等。
　　1-3. 镍在不锈钢中的作用是在与铬配合后才发挥出来的
　　镍是优良的耐腐蚀材料，也是合金钢的重要合金化元素。镍在钢中是形成奥氏体的元素，但低碳镍钢要获得纯奥氏体组织，含镍量要达到24％；而只有含镍27％时才使钢在某些介质中的耐腐蚀性能显著改变。所以镍不能单独构成不锈钢。但是镍与铬同时存在于不锈钢中时，含镍的不锈钢却具有许多可贵的性能。
　　基于上面的情况可知，镍作为合金元素在不锈钢中的作用，在于它使高铬钢的组织发生变化，从而使不锈钢的耐腐蚀性能及工艺性能获得某些改善。
　　1-4. 锰和氮可以代替铬镍不锈钢中镍
　　铬镍奥氏体钢的优点虽然很多，但近几十年来由于镍基耐热合金与含镍20％以下的热强钢的大量发展与应用，以及化学工业日益发展对不锈钢的需要量越来越大，而镍的矿藏量较少且又集中分布在少数地区，因此在世界范围内出现了镍在供和需方面的矛盾。所以在不锈钢与许多其他合金领域（如大型铸锻件用钢、工具钢、热强钢等）中，特别是镍的资源比较缺乏的国家，广泛地开展了节镍和以其他元素代镍的科学研究与生产实践，在这方面研究和应用比较多的是以锰和氮来代替不锈钢与耐热钢中的镍。
　　锰对于奥氏体的作用与镍相似。但说得确切一些，锰的作用不在于形成奥氏体，而是在于它降低钢的临界淬火速度，在冷却时增加奥氏体的稳定性，抑制奥氏体的分解，使高温下形成的奥氏体得以保持到常温。在提高钢的耐腐蚀性能方面，锰的作用不大，如钢中的含锰量从0到10.4%变化，也不使钢在空气与酸中的耐腐蚀性能发生明显的改变。这是因为锰对提高铁基固溶体的电极电位的作用不大，形成的氧化膜的防护作用也很低，所以工业上虽有以锰合金化的奥氏体钢（如40Mn18Cr4,50Mn18Cr4WN、ZGMn13钢等），但它们不能作为不锈钢使用。 锰在钢中稳定奥氏体的作用约为镍的二分之一，即2％的氮在钢中的作用也是稳定奥氏体，并且作用的程度比镍还要大。例如，欲使含18％铬的钢在常温下获得奥氏体组织，以锰和氮代镍的低镍不锈钢与元镍的铬锰氮不诱钢，目前已在工业中获得应用，有的已成功地代替了经典的18-8铬镍不锈钢。
　　1-5.不锈钢中加钛或铌是为了防止晶间腐蚀。
　　1-6.钼和铜可以提高某些不锈钢的耐腐蚀性能。
　　1-7.其他元素对不锈钢的性能和组织的影响
　　以上主要的九种元素对不锈钢的性能和组织的影响，除这些元素对不锈钢性能与组织影响较大的元素以外，不锈钢中还含有一些其他的元素。有的是和一般钢一样为常存杂质元素，如硅、硫、磷等．也有的是为了某些特定的目的而加入的，如钴、硼、硒、稀土元素等。从不锈钢的耐腐蚀性能这一主要性质来说，这些元素相对于已讨论的九种元素，都是非主要方面的，虽然如此，但也不能完全忽略，因为它们对不锈钢的性能与组织同样也发生影响。
　　硅　是形成铁素体的元素，在一般不锈钢中为常存杂质元素。
　　钴　作为合金元素在钢中应用不多，这是因为钴的价格高及其在其它方面（如高速钢、硬质合金、钴基耐热合金、磁钢或硬磁合金等）有着更重要的用途。在一般不锈钢中加钴作合金元素的也不多，常用不锈钢如9Crl7MoVCo钢（含1.2-1.8％钴）加钴，目的并不在于提高耐腐蚀性能而在于提高硬度，因为这种不锈钢的主要用途是制造切片机械刃具、剪刀及手术刀片等。
　　硼　高铬铁素体不锈钢Crl7Mo2Ti钢中加0．005％硼，可使在沸腾的65％醋酸中的耐腐蚀性能提高。加微量的硼（0.0006～0.0007％）可使奥氏体不锈钢的热态塑性改善。少量的硼由于形成低熔点共晶体，使奥氏体钢焊接时产生热裂纹的倾向增大，但含有较多的硼（0．5～0．6％）时，反而可防止热裂纹的产生。因为当含有0．5～0．6％的硼时，形成奥氏体－硼化物两相组织，使焊缝的熔点降低。熔池的凝固温度低于半溶化区时，母材在冷却时产生的张应力，由处于液态．固态的焊缝金属承受，此时是不致引起裂缝的，即使在近缝区形成了裂纹，也可以为处于液态－固态的熔池金属所填充。含硼的铬镍奥氏体不锈钢在原子能工业中有着特殊的用途。
　　磷　在一般不锈钢中都是杂质元素，但其在奥氏体不锈钢中的危害性不像在一般钢中那样显著，故含量可允许高一些，如有的资料提出可达0．06％，以利于冶炼控制。个别的含锰的奥氏体钢的含磷量可达0．06％（如2Crl3NiMn9钢）以至0.08％（如Cr14Mnl4Ni钢）。利用磷对钢的强化作用，也有加磷作为时效硬化不锈钢的合金元素，PH17－10P钢(含0．25％磷)乃PH－HNM钢（含0．30磷）等。
　　硫和硒　在一般不锈钢中也是常有杂质元素。但向不锈钢中加0．2～0．4％的硫，可提高不锈钢的切削性能，硒也具有同样的作用。硫和硒提高不锈钢的切削性能，是因为它们降低不锈钢的韧性，例如一般18－8铬镍不锈钢的冲击值可达30公斤/厘米2。含0．31％硫的18－8钢（0．084％C、18．15％Cr、9．25％Ni）的冲击值为1．8公斤/平方厘米；含0。22％硒的18－8钢（0．094％C、18．4％Cr、9％Ni）的冲击值为3．24公斤/平方厘米。硫与硒均降低不锈钢的耐腐蚀性能，所以实际应用它们作为不锈钢的合金化元素的很少。
　　稀土元素　稀土元素应用于不锈钢，目前主要在于改善工艺性能方面。如向Crl7Ti钢和Cr17Mo2Ti钢中加少量的稀土元素，可以消除钢锭中因氢气引起的气泡和减少钢坯中的裂纹。奥氏体和奥氏体－铁素体不锈钢中加0．02～0．5％的稀土元素（铈镧合金），可显著改善锻造性能。曾有一种含19．5%铬、23％镍以及钼铜锰的奥氏体钢，由于热加工工艺性能在过去只能生产铸件，加稀土元素后则可轧制成各种型材。
　　2．按金相组织对不锈钢的分类及各类不锈钢的一般特点
　　按化学成分（主要是含铬量）及用途，不锈钢分为不锈与耐酸两大类。工业上还按自高温（900-1100度）加热空气冷却后钢的基体组织的类型对不锈钢进行分类，这是基于我们上面所讨论的碳及合金元素对不锈钢组织影响的特点决定的。
　　工业上应用的不锈钢按金相组织可分为三大类：铁素体不锈钢，马氏体不锈钢，奥氏体不锈钢。可以把这三类不锈钢的特点归纳(如下表)，但需要说明的是马氏体不锈钢并不是都不可焊接，只是受某些条件的限制，如焊前应预热焊后应作高温回火等，而使焊接工艺比较复杂。实际生产中一些马氏体不锈钢如1Cr13,2Cr13以及2Cr13与45钢焊接还是比较多的。
　　
不锈钢的分类、主要成分及性能比较
分类 大概成分 （%） 淬火性 耐蚀性 加工性 可焊接性 磁性
　　 C Cr Ni
铁素体系 0．35以下 16-27 - 无 佳 尚佳 尚可 有
马氏体系 1．20以下 11-15 - 自硬性 可 可 不可 有
奥氏体系 0．25以下 16以上 7以上 无 优 优 优 无

　　以上分类仅是按钢的基体组织分的，由于钢中稳定奥氏体及形成铁素体的元素的作用不能互相平衡，以及由于大量的铬使平衡图S点左移，工业中应用的不锈钢的组织除了上面讲的三种基本类型以外，还有马氏体—铁素体，奥氏体－铁素体，奥氏体－马氏体等过渡型的复相不锈钢，以及具有马氏体－碳化物组织的不锈钢。
　　2-1.铁素体钢
　　含铬大于14％的低碳铬不锈钢，含铬大干27％的任何含碳量的铬不锈钢，以及在上述成分基础上再添加有钼、钛、铌、硅、铝、、钨、钒等元素的不锈钢，化学成分中形成铁素体的元素占绝对优势，基体组织为铁素。这类钢在淬火（固溶）状态下的组织为铁素体，退火及时效状态的组织中则可见到少量碳化物及金属间化合物。
　　属于这一类的有Crl7、Cr17Mo2Ti、Cr25，Cr25Mo3Ti、Cr28等。铁素体不锈钢因为含铬量高，耐腐蚀性能与抗氧化性能均比较好，但机械性能与工艺性能较差，多用于受力不大的耐酸结构及作抗氧化钢使用。
　　2-2.铁素休－马氏体钢
　　这类钢在高温时为y+a（或δ）两相状态，快冷时发生y-M转变，铁素体仍被保留，常温组织为马氏体和铁素体,由于成分及加热温度的不同，组织中的铁素体量可在百分之几至几十的范围内变化。0Crl3钢，lCrl3钢，铬偏上限而碳偏下限的2Cr13钢，Cr17Ni2钢，Cr17wn4钢，以及在ICrl3钢基础上发展起来的许多改型12％铬热强钢（这类钢也叫做耐热不锈钢）中的许多钢号，如Cr11MoV，Cr12WMoV，Crl2W4MoV，18Crl2WMoVNb等均属干这一类。
　　铁素体—马氏体钢可以部分地接受淬火强化，故可获得较高的机械性能。但它们的机械性能与工艺性能在很大程度上受组织中铁素体的含量及分布形态的影响。这类钢按成分中的含铬量分属12～14％与15～18％两个系列。前者具有抵抗大气及弱腐蚀性介质的能力，并且具有良好的减震性及较小的线膨胀系数；后者的耐腐蚀性能与相同含铬量的铁素体耐酸钢相当，但在一定程度上也保留着高铬铁素体钢的某些缺点。
　　2-3.马氏体钢
　　这类钢在正常淬火温度下处在y相区，但它们的y相仅在高温时稳定，M点一般在3OO℃左右，故冷却时转变为马氏体。
　　这类钢包括2Cr13,2Cr13Ni2,3Cr13以及部分改型12％铬热强钢，如13Cr14NiWVBA，Cr11Ni2MoWVB钢等。马氏体不锈钢的机械性能、耐腐蚀性能、工艺性能与物理性能，均和含铬12～14％的铁素体-马氏体不锈钢相近。由于组织中没有游离的铁素体，机械性能比上述钢要高，但热处理时的过热敏感性较低。
　　2-4.马氏体—碳化物钢
　　Fe－C合金的并析点的含碳为0.83％，在不锈钢中由于铬使S点左移，含12％铬和大于0.4％碳的钢（图11-3），以及含18％铬和大于0.3％碳的钢（图卜）3）均属于过共析钢。这类钢在正常淬火温度加热，次生碳化物不能完全溶于奥氏体，因此淬火后的组织为马氏体和碳化物组成。
　　属于这一类的不锈钢牌号不多，却是一些含碳比较高的不锈钢，如4Crl3、9Cr18、9Crl8MoV 、9Crl7MoVCo钢等，含碳量偏上限的3Crl3钢在较低的温度下淬火，也可能出现这样的组织。由于含碳量高,上述9Cr18等三个钢号中虽含有较多的铬，但其耐腐蚀性能仅与含12～14％锗的不锈钢相当。这类钢的主要用途是要求高硬及耐磨的零件，如切削工具、轴承、弹簧及医疗器械等。
　　2-5.奥氏体钢
　　这类钢含有较多扩大y区和稳定奥氏体的元素，在高温时为均为y相，冷却时由于Ms点在室温以下，所以在常温下具有奥氏体组织。 18-8、18－12、25-20、20-25Mo等铬镍不锈钢，以锰代替部分镍并加氮的低镍不锈钢Cr18Mnl0Ni5,Cr13Ni4Mn9,Cr17Ni4Mn9N,Cr14Ni3Mnl4Ti钢等均属于这一类。
　　奥氏体不锈钢具有前已述及的许多优点，虽然机械性能也比较低，和铁素体不锈钢—样不能热处理强化，但可以通过冷加工变形的方法，利用加工硬化作用提高它们的强度。 这类钢的缺点是对晶间腐蚀及应力腐蚀比较敏感，需通过适当地合金添加剂及工艺措施消除。
　　２-6.奥氏体－铁素体钢
　　这类钢因扩大y区和稳定奥氏体元素的作用程度，不足以使钢在常温或很高的温度下具有纯奥氏体组织，因此为奥氏体－铁素体复相状态，其铁素体量也因成分及加热温度不同而可在较大的范围内变化。
　　属于这一类的不锈钢很多，如低碳的18－8铬镍钢，加钛、铌、钼的18－8铬镍钢，特别是在铸钢的组织中均可见到铁素体，此外含铬大于14～15％而碳低于0．2％的铬锰不锈钢（如Cr17Mnll），以及目前研究的和已获得应用的大多数铬锰氮不锈钢等。与纯奥氏体不锈钢比较，这类钢的优点很多，如屈服强度较高，抗晶间腐蚀的能力较高，应力腐蚀的敏感性低，焊接时产生热裂纹的倾向小，铸造流动性好等等。缺点是压力加工性能较差，点腐蚀倾向较大，易产生c相脆性，在强磁场作用下表现出弱磁性等。所有这些优点和缺点均来源于组织中的铁素体。
　　2-7.奥氏钵－马氏体钢
　　这类钢的Ms点低于室温，固溶处理以后为奥氏体组织，易于成形和焊接。通常可用两种工艺方法使之发生马氏体转变。一是固溶处理以后经700～800度加热，奥氏体因析出碳化铬而转变为介稳定状态，Ms点升高至室温以上，冷却时转变为马氏体；二是固溶处理以后直接冷却至Ms与Mf点之间，使奥氏体转变为马氏体。后一方法可获得较高的耐腐蚀性能，但固溶处理以后至深冷的间隔时间不宜过久，否则会因奥氏体的陈化稳定作用而使深冷的强化效应降低。经上述处理以后钢再经400～500度时效，使析出金属间化合物进—步强化。这类钢的典型钢号有17Cr一7Ni一A1、15Cr－9Ni－A1,17Cr—5Ni－Mo、15Cr-8Ni－Mo一A1等等。这类钢也称为奥氏体－马氏体时效不锈钢，并因为实际上这些钢的组织中除奥氏体和马氏体以外，还存在不同数量的铁素体，故也称为半奥氏体沉淀硬化不锈钢。
　　这类钢是50年代后期发展和应用的新型不锈钢，它们总的特点是强度高（C可达100一150）及热强性好，但由于含铬量较低并在热处理时有碳化铬析出，因此耐腐蚀性能比标准的奥氏体不锈钢要低一些。也可以说这类钢的高强度是在牺牲一部分耐腐蚀性能与其他性能（如非磁性）的情况下获得的，目前这类钢主要用于航空工业及火箭导弹生产方面，一般机械制造中应用尚不普遍，并且在分类上也有把它们纳为超高强度钢的一个系列。


什么是不锈钢?

不锈钢是在普通碳钢的基础上，加入一组铬的质量分数（wCr）大于12%合金元素的钢材，它在空气作用下能保持金属光泽，也就是具有不生锈的特性。这是由于在这类钢中含有一定量的铬合金元素，能使钢材表面形成一层不溶解于某些介质的坚固的氧化薄膜（钝化膜），使金属与外界介质隔离而不发生化学作用。在这类钢中，有些除含较多的铬（Cr）外，还匹配加入较多的其他合金元素，如镍（Ni），使之在空气中、水中、蒸汽中、都具有很好的化学稳定性，而且在许多种酸、碱、盐的水溶液中也有足够的稳定性，甚至在高温或低温环境中，仍能保持其耐腐蚀的优点。

不锈钢是如何分类的?

不锈钢分类方法有几种：按主要化学组成分铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等；也可以以性能特点分成耐酸不锈钢和耐热不锈钢等；通常以金相组织进行分类。按金相组织分为：铁素体（F）型不锈钢、马氏体（M）型不锈钢、奥氏体（A）不锈钢、奥氏体-铁素体（A-F）型双相不锈钢、奥氏体-马氏体（A-M）型双相不锈钢和沉淀硬化（PH）型不锈钢。
1． 铁素体型不锈钢F 铁素体具有磁性，它的内部显微组织为铁素体，其铬的质量分数在11.5% ~ 32.0%范围内。但是碳的含量极低<0.2%，不可淬火。随着铬含量的提高，其耐酸性能也提高，加入钼（Mo）后，则可提高耐酸腐蚀性和抗应力腐蚀的能力。
2． 马氏体型不锈钢M 其显微组织为马氏体。马氏体不锈钢同样也具有磁性，这类钢中铬的质量分数为11.5% ~ 18.0% 但碳的质量分数最高可达0.6%。碳含量的增高，提高了钢的强度和硬度。在这类钢中加入的少量镍可以促使生成马氏体，同时又能提高其耐蚀性。这类钢具有一定的耐蚀性和较好的热稳定性以及热强性，可以作为温度低于700oC以下长期工作的耐热钢使用。它广泛用来制造对韧性和冲击韧度要求较高的零件，如汽轮机的叶片、内燃机排气阀和医疗器械。
3． 奥氏体型不锈钢F 其显微组织为奥氏体。它是在高铬不锈钢中（17-26%）添加适当的镍（镍的质量分数为8% ~ 25%）而形成的，具有奥氏体组织的不锈钢。奥氏体型不锈钢不能利用热处理使晶粒细化，也不能经过淬火来提高其硬度。这类钢的冷加工硬化程度高，通常没有磁性，经过冷作可在钢内析出少量铁素体或马氏体的组织，会出现少量磁性。 奥氏体型的钢板的综合性能最好，既有足够的强度，又有极好的塑性同时硬度也不高，这也是它们被广泛采用的原因之一。奥氏体型不锈钢同绝大多数的其它金属材料相似，其抗拉强度、屈服强度和硬度，随着温度的降低而提高；塑性则随着温度降低而减小。其抗拉强度在温度 15 ~ 80O范围内增大较快，温度进一步降低时则变化缓慢，而屈服强度的增长是较为均匀的。更重要的是：随着温度的降低，其冲击韧度减少缓慢，并不存在脆性转变温度。
4．其他特殊材料特殊的应用领域开发出特殊材料。例如：所说的奥氏体-铁素体型双钢，其显微组织为奥氏体加铁素体。它含有18 - 25% 的铬，4 - 7%的镍以及4%的钼。镍、镍-铜、镍-铬以及其他以镍-铬为基础的特殊不锈钢也属于此类。此类特殊材料具有特殊的特性，有固定的材料名称，如 Cronifer, Nikrofer, Alloy, Ferrotherm, Hastelloy, Incoloy, Inconel, Monel。这些材料也有所属材料号及其化学成份。


热处理：

金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。

金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。

为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。

在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。早在公元前770～前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而 变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。

公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。

随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。中国出土的西汉(公元前206～公元24)中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为0.15～0.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。

1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。

1850～1880年，对于应用各种气体(诸如氢气、煤气、一氧化碳等)进行保护加热曾有一系列专利。1889～1890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。

二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。一个显著的进展是1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳 ；30年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺 ；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。

金属热处理的工艺

热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。

加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。

金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。

加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度 ，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致， 使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。

冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。

金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理工艺种类繁多。

整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。

退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。

淬火是将工件加热保温后，在水、油或其他无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。

“四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺 。为了获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质。某些合金淬火形成过饱和固溶体后，将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间，以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。这样的热处理工艺称为时效处理。

把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行，使工件获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理；在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理，它不仅能使工件不氧化，不脱碳，保持处理后工件表面光洁，提高工件的性能，还可以通入渗剂进行化学热处理。

表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理，常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。

化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是将工件放在含碳、氮或其他合金元素的介质(气体、液体、固体)中加热，保温较长时间，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。渗入元素后，有时还要进行其他热处理工艺如淬火及回火。化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗金属。

热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一。大体来说，它可以保证和提高工件的各种性能 ，如耐磨、耐腐蚀等。还可以改善毛坯的组织和应力状态，以利于进行各种冷、热加工。

例如白口铸铁经过长时间退火处理可以获得可锻铸铁，提高塑性 ；齿轮采用正确的热处理工艺，使用寿命可以比不经热处理的齿轮成倍或几十倍地提高；另外，价廉的碳钢通过渗入某些合金元素就具有某些价昂的合金钢性能，可以代替某些耐热钢、不锈钢 ；工模具则几乎全部需要经过热处理方可使用。


“吸铁石”判断不锈钢欠科学


　　近期，12365接到多起消费者关于不锈钢产品的咨询和申诉，反映购买的不锈钢餐具用“吸铁石”能够吸附；餐具出现生绣现象；怀疑其材质有假，要求对产品进行质量检测。

　　不锈钢按金相组织可分为三类：奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢 和马氏体不锈钢。不锈钢的主要成分是铁、铬、镍合金，此外还含锰、钛、钴、钼和镉等微量元素，这使不锈钢性能稳定，具有不锈性和耐蚀性。奥氏体型不锈钢由于内部分子结构的特殊性，使得不易被磁化。从表面现象看，就是这种不锈钢不能被磁铁“吸住”。因此，经常有消费者用“吸铁石”来检验不锈钢，这种做法是不科学的。因为铁素体不锈钢和马氏体不锈钢因金相组织的构成用磁铁是可以吸引的，因此：“不可吸引的肯定是不锈钢，可以吸引的不见得不是不锈钢。”但不锈钢制品的防锈是相对的，不是绝对的。小商品批发市场的低价不锈钢制品，表面看着像不锈钢，但其主要成分和微量元素达不到标准要求，因此器皿会有生锈现象产生。另外，对不锈钢制品的使用也有学问，使用不当不锈钢中的微量金属元素同样会对人体健康产生影响。所以使用不锈钢厨具、餐具时必须注意以下几点：

　　1、不可长时间盛放盐、酱油、菜汤等，因为这些食品中含有许多电解质，如果长时间盛放，不锈钢同样会像其他金属一样与这些电解质起化学反应，使有毒金属元素被溶解出来。

　　2、不能用不锈钢器皿煎熬中药，因为中药中含有很多生物碱、有机酸等成分，特别是在加热条件下很难避免中药与不锈钢器皿发生化学反应，使药物失效甚至生成某些有毒的化合物。

　　3、切勿用强碱性或强氧化性的化学药剂如苏打、漂白粉、次氯酸钠等进行洗涤。因为这些物质都可产生电解，会与不锈钢起化学反应。
不锈钢的性能与组织