为什么淬火会改变金属性能？
淬火：金属性能的“重塑”之道
金属，作为我们日常生活中不可或缺的材料，其强大的延展性和可塑性常常让我们惊叹。然而，在许多严苛的应用场景下，仅仅拥有这些基础特性是远远不够的。我们需要它更坚硬，更能抵抗磨损，能在极端温度下保持稳定。而“淬火”，正是实现这些质的飞跃的关键工艺之一。
那么，究竟是什么让这看似简单的“加热再冷却”过程，能够如此深刻地改变金属的内在性格呢？这背后，藏着一系列精密的物理和化学变化。
1. 原子层面的“重新洗牌”：晶体结构的秘密
首先，我们需要理解金属的微观结构。金属并非是一堆杂乱无章的原子堆积，而是以一种有序的晶体结构存在。最常见的铁及其合金（如钢）在不同的温度下，会呈现出不同的晶体结构。
加热过程：奥氏体化
当我们将钢材加热到一定温度（称为“临界温度”或“转变温度”），其内部的原子会获得足够的能量，摆脱原有低能状态的束缚，开始在晶格中更自由地移动。在这个过程中，铁的晶体结构会从常温下的体心立方（BCC）结构转变为面心立方（FCC）结构，我们称之为“奥氏体”。
奥氏体结构有一个非常重要的特点：它能够溶解比体心立方结构更多的碳原子。想象一下，将碳原子“塞”进奥氏体晶格的缝隙中。这个溶解过程，为后续的变化奠定了基础。
快速冷却：马氏体转变的“炼狱”
淬火的关键就在于“快”。当加热到奥氏体状态的钢材被迅速冷却时（例如浸入水、油或盐浴中），留给原子重新排列形成稳定结构的宝贵时间被极大地压缩了。
由于冷却速度足够快，碳原子根本来不及从奥氏体晶格中“逃逸”出来，它们被“冻结”在了奥氏体本应是面心立方的结构中。然而，当温度继续下降，铁原子自身的能量状态又驱使它们试图回到体心立方结构。
这就产生了一种“两难”的局面：铁原子想变回体心立方，但大量的碳原子“卡”在中间，导致它无法顺利完成转变。最终，金属会形成一种非常规、高度不稳定、畸变的体心立方结构，我们称之为“马氏体”。
你可以把马氏体想象成一个原本应该整齐排列的士兵队伍，却因为被强行塞入了大量阻碍物（碳原子），导致队形变得混乱而扭曲。
2. 马氏体：高硬度与脆性的根源
马氏体结构为何能赋予金属如此高的硬度和强度？这要归功于两个主要因素：
碳原子的“阻碍”：位错的“堵塞”
金属材料在受到外力作用时，其变形主要是通过晶格中“位错”（一种原子排列的不连续性）的移动来实现的。想象一下，位错就像一条绳子在地面上移动，能够使材料发生形变。
然而，在马氏体结构中，被“困住”的碳原子会严重阻碍位错的运动。这些碳原子就像在绳子上打了一个个死结，使得绳子（位错）难以滑移。位错越难移动，材料就越难以发生塑性变形，因此其硬度和强度就会大大提高。
晶格畸变：内部“应力场”的增强
前面提到，马氏体是畸变的体心立方结构。这种畸变本身就意味着晶格内部存在着巨大的内应力。这些内应力会进一步“锁定”位错，使材料的抵抗变形能力更强。
正是这种高度畸变且充满碳原子“堵塞”的马氏体结构，使得淬火后的钢材拥有了远超普通退火状态的硬度。
3. 淬火后的“副作用”：为什么还需要回火？
然而，就像任何一把双刃剑，马氏体结构带来的高硬度也伴随着一个显而易见的“副作用”——脆性。过高的内应力和不稳定的原子排列，使得淬火后的金属变得容易断裂，对冲击和振动非常敏感。
这就是为什么在淬火之后，我们通常还需要进行“回火”处理。回火的过程，就是将淬火后的金属重新加热到一个较低的温度，并保温一段时间，然后冷却。这个过程的目的，就是在保留大部分硬度的同时，释放一部分内应力，使金属的韧性得到提升，从而克服其脆性。
在回火过程中，被“冻结”的碳原子会开始缓慢地从畸变的晶格中析出，形成更细小的碳化物（如渗碳体），使得原有的马氏体结构得到一定程度的松弛和稳定。
总结一下，淬火改变金属性能的根本原因在于：
通过快速冷却，将高温下的奥氏体结构“冻结”成高度不稳定的马氏体结构。
马氏体结构中，大量的碳原子被“困”在畸变的晶格中，极大地阻碍了位错的移动，从而显著提高了材料的硬度和强度。
然而，这种结构也带来了脆性，需要通过后续的回火处理来平衡韧性。
因此，淬火不仅仅是一个简单的冷却过程，更是一场原子层面的“结构重塑”，它巧妙地利用了金属在不同温度下的相变特性，为材料赋予了前所未有的强大性能，也为我们后续的精细调控（如回火）留下了操作空间。正是这种对微观结构的精准控制，才让金属材料在无数领域大放异彩。
金属，作为我们日常生活中不可或缺的材料，其强大的延展性和可塑性常常让我们惊叹。然而，在许多严苛的应用场景下，仅仅拥有这些基础特性是远远不够的。我们需要它更坚硬，更能抵抗磨损，能在极端温度下保持稳定。而“淬火”，正是实现这些质的飞跃的关键工艺之一。
那么，究竟是什么让这看似简单的“加热再冷却”过程，能够如此深刻地改变金属的内在性格呢？这背后，藏着一系列精密的物理和化学变化。
1. 原子层面的“重新洗牌”：晶体结构的秘密
首先，我们需要理解金属的微观结构。金属并非是一堆杂乱无章的原子堆积，而是以一种有序的晶体结构存在。最常见的铁及其合金（如钢）在不同的温度下，会呈现出不同的晶体结构。
加热过程：奥氏体化
当我们将钢材加热到一定温度（称为“临界温度”或“转变温度”），其内部的原子会获得足够的能量，摆脱原有低能状态的束缚，开始在晶格中更自由地移动。在这个过程中，铁的晶体结构会从常温下的体心立方（BCC）结构转变为面心立方（FCC）结构，我们称之为“奥氏体”。
奥氏体结构有一个非常重要的特点：它能够溶解比体心立方结构更多的碳原子。想象一下，将碳原子“塞”进奥氏体晶格的缝隙中。这个溶解过程，为后续的变化奠定了基础。
快速冷却：马氏体转变的“炼狱”
淬火的关键就在于“快”。当加热到奥氏体状态的钢材被迅速冷却时（例如浸入水、油或盐浴中），留给原子重新排列形成稳定结构的宝贵时间被极大地压缩了。
由于冷却速度足够快，碳原子根本来不及从奥氏体晶格中“逃逸”出来，它们被“冻结”在了奥氏体本应是面心立方的结构中。然而，当温度继续下降，铁原子自身的能量状态又驱使它们试图回到体心立方结构。
这就产生了一种“两难”的局面：铁原子想变回体心立方，但大量的碳原子“卡”在中间，导致它无法顺利完成转变。最终，金属会形成一种非常规、高度不稳定、畸变的体心立方结构，我们称之为“马氏体”。
你可以把马氏体想象成一个原本应该整齐排列的士兵队伍，却因为被强行塞入了大量阻碍物（碳原子），导致队形变得混乱而扭曲。
2. 马氏体：高硬度与脆性的根源
马氏体结构为何能赋予金属如此高的硬度和强度？这要归功于两个主要因素：
碳原子的“阻碍”：位错的“堵塞”
金属材料在受到外力作用时，其变形主要是通过晶格中“位错”（一种原子排列的不连续性）的移动来实现的。想象一下，位错就像一条绳子在地面上移动，能够使材料发生形变。
然而，在马氏体结构中，被“困住”的碳原子会严重阻碍位错的运动。这些碳原子就像在绳子上打了一个个死结，使得绳子（位错）难以滑移。位错越难移动，材料就越难以发生塑性变形，因此其硬度和强度就会大大提高。
晶格畸变：内部“应力场”的增强
前面提到，马氏体是畸变的体心立方结构。这种畸变本身就意味着晶格内部存在着巨大的内应力。这些内应力会进一步“锁定”位错，使材料的抵抗变形能力更强。
正是这种高度畸变且充满碳原子“堵塞”的马氏体结构，使得淬火后的钢材拥有了远超普通退火状态的硬度。
3. 淬火后的“副作用”：为什么还需要回火？
然而，就像任何一把双刃剑，马氏体结构带来的高硬度也伴随着一个显而易见的“副作用”——脆性。过高的内应力和不稳定的原子排列，使得淬火后的金属变得容易断裂，对冲击和振动非常敏感。
这就是为什么在淬火之后，我们通常还需要进行“回火”处理。回火的过程，就是将淬火后的金属重新加热到一个较低的温度，并保温一段时间，然后冷却。这个过程的目的，就是在保留大部分硬度的同时，释放一部分内应力，使金属的韧性得到提升，从而克服其脆性。
在回火过程中，被“冻结”的碳原子会开始缓慢地从畸变的晶格中析出，形成更细小的碳化物（如渗碳体），使得原有的马氏体结构得到一定程度的松弛和稳定。
总结一下，淬火改变金属性能的根本原因在于：
通过快速冷却，将高温下的奥氏体结构“冻结”成高度不稳定的马氏体结构。
马氏体结构中，大量的碳原子被“困”在畸变的晶格中，极大地阻碍了位错的移动，从而显著提高了材料的硬度和强度。
然而，这种结构也带来了脆性，需要通过后续的回火处理来平衡韧性。
因此，淬火不仅仅是一个简单的冷却过程，更是一场原子层面的“结构重塑”，它巧妙地利用了金属在不同温度下的相变特性，为材料赋予了前所未有的强大性能，也为我们后续的精细调控（如回火）留下了操作空间。正是这种对微观结构的精准控制，才让金属材料在无数领域大放异彩。
网友意见
以钢的淬火为例，淬火的过程中会发生快速fcc->bcc相变，这个相变过程涉及原子间的切变，因此会带来很大的局部变形，产生大量位错，从而带来强化效果。
淬火时的冷却速度很高，带来很高的过冷度，因此bcc相的形核速度会非常高，大量的形核点带来高密度的界面，起到类似细晶强化的作用。以下图[1]中的板条马氏体为例，相比于淬火前的奥氏体晶粒（最大的六边形），淬火后的马氏体中新生成了很多次级晶粒(packets/blocks/laths)，这些细小的次级晶粒能够将塑性变形均匀的分散开来，避免大量位错赛积在单个晶界附近产生应力集中，从而提高强度。
另外钢中多多少少都含有一些C原子，由于淬火过程中的冷却速度很快，C原子来不及扩散，不会形成热力学上最稳定的carbide，而是以过饱和固溶体的亚稳态形式残留下来。这些弥散的C原子会对材料产生明显的固溶强化。
此外，由于C原子的尺寸远远小于Fe原子，通常情况下，C会占据Fe原子之间的间隙位置[2]：
如上图所示，在间隙位置的C离上下两个Fe原子较近，因此C会对这两个Fe原子产生较大的挤压。这样的间隙C可以有三个不同的方向，分别对x/y/z方向的Fe原子产生明显的挤压[2]：
C对Fe的挤压会带来明显的晶格畸变，从而产生一个长程的应变场[3]。这个应变场会促使周围的C占据同方向的间隙位置。如果C浓度比较高，大量的C占据同一方向的间隙，会使得Fe基体在该方向上产生可观的变形，令正常情况下的bcc-Fe（铁素体）变成bct-Fe （马氏体）。
由于对称性的降低，马氏体中位错的开动会更加困难，从而提高材料的硬度和强度。此外，也正因为马氏体的bct结构，它和铁素体以及其他马氏体之间的晶格常数往往不匹配，从而产生大量非共格界面，这些界面也会带来位错和缺陷，提供一定的强化作用。
参考
- ^Maki, T. "Morphology and substructure of martensite in steels." Phase transformations in steels. Woodhead Publishing, 2012. 34-58. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9781845699710500028
- ^abGolovin, S. A., and I. S. Golovin. "Mechanical spectroscopy of Snoek type relaxation." Metal Science and Heat Treatment 54.5-6 (2012): 208-216. https://link.springer.com/article/10.1007/s11041-012-9483-6
- ^Zhang, Xie, et al. "Mechanism of collective interstitial ordering in Fe–C alloys." Nature Materials (2020): 1-6. https://www.nature.com/articles/s41563-020-0677-9
这是金属材料 最基础的一些知识，在知乎问，不如直接百度。
简单来说就是热处理可以改变铁碳合金晶体的排列方式，导致机械性能变化。
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