认识金属材料（二）

说一个钢的热处理

                                         晏成和

内容提要：钢是铁和碳组成的合金。淬火是较多大众所知道的钢的热处理方法，其工艺是：首先把碳钢加热到临界温度以上（800℃），保温后，快速浸到冷水或油里冷却。使得钢件内形成适量的铁-碳结构元，使材料的硬度、强度得以极大的提高。

关键词：淬火  火候  铁-碳结构元  退火

这是在北科大的讲稿，有少量专业名词。不过并不高深，只是市井语言常说的“见火”之类。

我在技校学建筑当木工，对斧头、刨刀的“钢火”有所了解，后来做机械，铣工。对削铁如泥的刀具、对金属材料的热处理:退火（烧红后缓慢降温）-硬度降低；淬火-“见火”（烧红后急速降温）-材料的硬度、强度提高，充满好奇。思索材料的硬度、强度来自哪里。看相关书籍上的“晶格畸变”理论，感觉逻辑牵强，几乎是忽悠。金属热处理与温度（火候）休戚相关，可是畸变理论却完全回避温度。

78年上大学学机械，发现大学教程对金属强度的来源，热处理的机理也没有明晰的讲解，不敢直面现实，只是在绕圈子。然而热处理的实践中，火（温度）候（时机）非常关键且效果明显，其中一定是另有原因。

还有金属为什么会有延展性、磁铁的磁性来自哪里？金属为什么能够导电？很多物质为什么能够被烧红？教材中也没有清楚的解读，我默默地思索着，慢慢地形成了我自己的金属结构原理、以及广义的物质结构原理和对金属材料热处理的探讨。

一般的金属材料热处理主要是对钢材进行的，我们首先来认识钢。

钢　钢的主要成分是铁和千分之几的碳组成的合金。铁的原子序数是26 ，核外电子按2、8、14、2 规则排列。在常温下，铁原子的二个价电子都参入价和运转，并且各自稳定地运转在价和轨道的平面上，铁原子排列整齐有序，价和力连接、电磁力相吸引构成了内聚力，此时晶格呈体心立方结构。

当温度升至950℃ 以上时，电子运转速率增大 [1] ，核心的库仑力也增大，由于次外层电子运转是不均衡的，核心此时把一个价电子吸引到次外层，这样,此时铁原子仅一个电子参入价和运转，像铜一样，两个原子之间只有一个结构元，其晶体的结构也像铜一样呈面心立方体。这就形成了铁的同素异晶现象。

（同素异晶是现代科学之谜）

碳是4价、非金属。在炼钢中能够把含碳量控制在（2%——0.2%）范围内，形成高碳钢、中碳钢、低碳钢，碳在钢中含量有限，不能像合金那样以任意比例“化合”。人们还能够用渗碳技术，在高温中让碳元素渗入在铁的表面——表面渗碳。

随着铁中含碳量的增减，钢机械性能强度、硬度、韧性、脆性亦发生明显的变化。这是因碳原子直径较小，电子速率很高，高速价和运转时，伴生着较大的电磁力，激活了铁中的价电子，使其速率增加；又因为碳原子有４个价电子，淬火时价和运转时形成许多铁-碳结构元，导致钢中的结构元增加；从而使得钢的硬度随之增加

。

高碳钢含碳量大约在2%，如果含碳分布均匀，那么在3.7个铁结构元之间就会有一个铁-碳结构元，如图一（这只是平面示意图，真实的铁-碳结构是金刚石结构）。这样的高碳钢经淬火之后硬度很高。可以用作加工刀具、钻头的材料。

橙色部分为铁-碳结构元                  蓝色部分是铁

图一

常用的45号钢，含碳量在0.45%，属于中碳钢。大约在6个铁结构元之间就会有一个铁-碳结构元，这样的中碳钢的硬度、韧性适中，综合性能较好。

当钢的含碳量超过2.117%后，因碳的比例增加，容易形成碳原子的小集合，因压力温度不够，不能形成金刚石结构，而是形成石墨结构，这种小石墨团嵌合在钢中，反而使得材料脆性增大，强度下降。但是耐磨性好，铸造性能好，人们称之为铸铁。

钢的机械性能（指其硬度、强度、延展性、焊接性等等多种性能）不仅与其含碳量有关，而且与其热处理工艺的关系极大，以下我们就用物质结构元原理对高碳钢、中碳钢讨论钢的热处理问题。（低碳钢在下一篇讨论）

　淬火　淬火是较多大众所知道的钢的热处理方法，其工艺是：首先把碳钢加热到临界温度以上（800℃），保温后，快速浸到冷水或油里冷却。使得钢件的硬度、强度得以极大的提高。工程上的齿轮、弹簧一般都是经过淬火，我们家用的刀、剪也都经过淬火。

为什么这样能提高强度？这不是因为有了什么“晶格畸变”，而是因为材料中碳原子的4个价电子速率快且稳定。铁的价电子较少，而加热使得铁的价电子速率增加较快，能够达到与材料中碳的价电子速率相近，容易形成高温状态下的铁-碳结构元。

突然降温，材料中高速率的铁的价和电子立即降低速率，但是，已经形成的铁-碳价和运转来不及重组，而是保持成铁--碳结构元充斥在钢铁之中，于是在材料内的结构元多，整体性强；铁的价和运转速率受到碳原子的牵制，仍然保持高速运转，使得钢中价和力、电磁力增大，钢的硬度和强度也就增加。

所以这个火候（温度，时机）十分重要，如果缓慢降温，铁的价电子速率逐渐下降、整合，铁-碳结构元分离、重组。“晶格畸变”理论与温度，时机基本上没有什么关系，与现实相去甚远，也没有逻辑关联，只能是一个胡说八道。

为什么要加温到800℃ 左右呢？这是很有讲究的：温度低了铁的价和电子速率不高，不能形成铁-碳结构元。温度过高、铁的价和电子数量减少。若加温到950℃时，铁中结构元将减少一半，铁晶体转变成面心立方，此时淬火，物体内还要重建结构元，形成铁-碳结构元的机会会大打折扣；材料还要重整晶体结构(从面心立方向体心立方转变)使得工件变形大，而且重整过程中要消耗一些能量，因而价和电子速率也不会更高，钢的强度也不会更高。可见人们在实践中总结的淬火工艺是很有道理的。

回火  由于钢材淬火是突然遇冷、由表及里，钢材突然内外温差很大，内外的价和电子的速率相差很大，运转不协调。宏观的表现是内应力很大。钢材的硬度虽然大、但是很脆，容易脆断。

于是聪明的工匠发明了回火，就是把淬火之后的钢件再放回炉子内加温，（材料不同回火的次数、温度不同）以消除内应力。

退火  把钢件加热到临界温度以上（800℃），保温后，缓慢降温，经过这样的退火处理，钢件内没有铁-碳结构元，硬度较低，便于加工。

                               2017-3-6        2019/5/15整理发表

参考文献

[1]晏成和，热是什么？ 科学网

http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1110189.html