问冶金学家：什么是回火钢？

回火对功能钢有多重要。

金属合金由元素的精确组合制成，例如配方中的成分。这些元素在高温下的组合方式会改变合金的特性，就像不同的烹饪技术会改变食物的味道一样。

回火钢改变了金属的机械性能，使其更坚固、更耐用。这使其成为工具、弹簧、结构钢甚至剑的良好材料。

让我们来看看回火钢的基础知识……以及经过回火的钢比没有经过回火的钢更灵活、更有弹性。

冶金 101

冶金学既是科学（因为它应用于金属生产）又是金属技术。它涉及金属的化学组成及其物理和机械属性。

以下是一些您会听到的有关冶金和回火钢的常用术语：

• 实力 :钢材抵抗永久变形或撕裂的能力如何
• 韧性 ：钢的抗断裂能力（通常随着强度的增加，韧性也会增加）
• 硬度 :金属对钢划伤或压痕的效果如何
• 抗冲击性 ：钢在最小变形的情况下抵抗冲击载荷的能力（通常也称为具有高强度韧性）
• 耐磨性 ：钢材承受侵蚀、烧蚀、剥落和磨损的能力（通常也称为硬度）
• 结构完整性 :钢材在不断裂的情况下承受载荷的能力如何

钢材是一种流行的建筑材料。钢的两种必需元素是铁和碳，合金通常还含有少量其他金属。钢的碳含量低于 2.14%：高碳合金通常是铸铁的一种形式。合金通常可能含有锰和微量的硅、磷、硫和氧。钢非常耐用和坚固，可以使用数十年或更长时间，然后可以一遍又一遍地回收而不会失去其特性。大部分新钢产量都包含大量回收钢。

钢的显微组织

在我们学习如何改变钢的性能之前，我们必须首先了解它的微观结构。钢的精确加热和冷却会改变其微观结构：

铁氧体 - 体心立方 (BCC) 晶体结构

这是室温下的纯铁。它还可以描述碳含量非常低的钢。

想象一个立方体，每个角落有一个分子，立方体中心有一个分子。分子松散堆积，每个立方体内的分子较少。在室温下，你只能在结构中添加 0.006% 的碳。

奥氏体 - 面心立方 (FCC) 晶体结构

这种形式发生在铁基合金在 1500F 和 1800F 之间加热时。

想象一个立方体，每个角落都有一个分子，立方体每边的中心都有一个分子。这些分子比铁氧体更紧密，可以含有高达 2% 的碳。

水泥

当碳钢加热到奥氏体范围，然后在没有任何合金存在的情况下冷却时，它会转变成铁素体形式。当碳含量大于 0.006% 时形成渗碳体，碳原子与铁结合形成碳化铁 (Fe3C)。你永远不会得到一块纯渗碳体的金属，因为有些材料会保持铁素体形式。

珍珠岩

铁素体和渗碳体的交替层将形成一种称为珠光体的新结构。当钢缓慢冷却时会发生这种情况，形成一种共晶混合物（其中两种熔融材料同时结晶）。它以交替的方式同时形成铁素体和渗碳体。

马氏体 - 体心四方 (BCT) 晶体结构

这种钢的微观结构是通过非常快速地冷却钢形成的，这迫使碳原子被困在铁晶格中。结果是一种非常坚硬的针状钢铁结构。

这些微观结构对于了解钢的机械性能很重要。碳含量、合金浓度和精加工方法都会影响钢的微观结构。一旦你知道了这一点，你就可以学习如何通过精确的热处理来控制它的特性，比如回火钢。

热处理概述

热处理金属会改变其物理性质。它可以增加其强度、延展性、韧性、硬度和耐腐蚀性。

常见的热处理有3种：

• 退火 ：将金属加热使其变软，然后缓慢冷却。微结构的缓慢冷冻会形成大而圆的金属颗粒。这消除了金属的内应力，使其更有可能仅在受到撞击时出现凹痕或弯曲。
• 淬火 ：在此过程中，金属会迅速冷却（通常在水浴或油浴中）。这会迅速冻结分子。由于温度的突然降低，表面上会产生许多小的锯齿状颗粒。颗粒的锯齿状边缘交错，使得金属在撞击时不太可能弯曲：表面更硬。
• 回火 ：为了减少通过生产或淬火产生的任何多余硬度，可以通过将金属加热到特定温度并保持特定时间来回火金属，具体取决于您要改变的特性。

为什么要回火？

钢经过回火处理，使其具有适合其应用的材料特性。这些可以是：

• 在增加韧性的同时降低硬度（坚韧的材料在冲击时抗碎裂，而硬质材料抗压痕并在弯曲前会断裂）
• 增加延展性（允许其改变形状而不会断裂）
• 提高耐磨性
• 如果钢材需要进一步加工，可提高机械加工性

调质钢工艺

在对钢进行回火之前，您通常会先对钢进行淬火，以使其硬化。然后回火温度决定了你从金属中去除了多少硬度。温度越高，去除的硬度越多。例如，硬质工具在较低温度下回火，而柔性弹簧在较高温度下回火。

钢通常在带有真空或惰性气体的气体、电阻或感应炉中加热，以防止氧化。将钢加热到指定温度后，根据钢的类型和要达到的机械性能，将温度保持一段时间。

您无需温度计或温度枪即可知道何时将其加热到合适的温度。回火钢根据回火温度变化为透明色。这种颜色是由表面上形成的氧化层形成的。较高的温度会产生较厚的氧化铁层，在该温度区花费的时间较长也是如此。该层有助于防止钢材腐蚀。

上图显示了不同颜色的回火钢在金属上的作用：

• 从左边开始是Normalized Steel .这是一种被加热到高于其上限临界温度并在静止空气中冷却的钢。
• 左起第二个是淬火钢 .那是快速冷却的钢。
• 接下来的八种根据温度显示回火钢的颜色 - 130F (176C) 到 730F (388C)

回火钢示例（按温度/颜色）：

回火钢和淬火有什么区别？

回火钢和硬化钢赋予同一种合金不同的能力。

硬化钢使其更加坚硬，并且不太可能划伤或压痕。然而，这个更硬的表面更脆。被击中不会缩进，但如果冲击力太大，它会断裂或碎裂。回火时会损失一些硬度以增加韧性。韧性是承受断裂或碎裂的能力，但缺点是它更容易划伤或压痕。

通常你会先对钢进行硬化，然后再对钢进行回火，以达到特定的硬度与韧性比。

刀剑的热处理

回火是刀片锻造的重要组成部分。一些最好的剑是通过称为差异回火的过程制造的。通过不同的脾气，铁匠可以制造出刃口非常坚硬的刀片，在刀片的中心有一个更柔软、更有弹性的核心。这增加了刀片的韧性并防止破损。

在日本，武士刀经常通过使用粘土来帮助控制淬火和回火过程中的变化率来进行不同程度的硬化或回火。不同厚度的粘土有助于控制变化率。

在其他不同的回火过程中，热量仅应用于刀片的一部分（通常是脊椎）。剑匠们会观察刀刃的颜色变化，因为它辐射到锋利的边缘。一旦它几乎达到边缘的浅色稻草色，它们就会去除热量。

“现代”应用中的热处理和回火钢

回火钢不仅用于刀具和剑。它在现代生产中具有实际应用。工具通常经过回火处理后变得非常坚硬：淬火是工具钢工艺的一部分，用于产生能够承受磨损和压痕的坚硬加工边缘。精密工具通常需要保持这种硬边以保持在工作公差范围内。然而，为了整个工具的完整性，之后可能需要回火，以使其不那么脆。弹簧、结构钢和其他需要特定材料特性的金属件也可以进行热处理，根据应用的材料需求产生一致或不同的回火。

金属作为一种具有可延展微观结构的晶体，为材料科学家提供了多种方法，可以通过巧妙地结合合金选择和热处理来解决问题。