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零件热处理工艺性的含义是，在能够满足相应要求的情况下，对采用热处理进行生产的可行性以及经济性进行考量。零件热处理生产工艺性一方面与零件的材料以及结构有关，另一方面也和零件的生产流程以及热处理工艺过程的各个环节紧密相连。设计师设计零件时要充分留意零件的热处理工艺性，需选材恰当，所提技术要求要正确；工艺师制订生产流程时应合理安排热处理工序在整个工艺路线中的位置，妥善处理热处理工艺与前后工序的关系；热处理工艺人员要正确制订热处理工艺，从而保证零件和产品质量，提升生产效率，减轻工作强度，降低制造成本。
自本期开始，分几期从不同角度介绍一下零件的工艺性。
钢的热处理工艺性
钢的热处理工艺性主要包含多个方面，比如淬透性、淬硬性等。淬透性指的是……；淬硬性是指……。还有回火脆性，它……。过热敏感性表示……。耐回火性意味着……。氧化脱碳趋向是……。超高强度钢表面状态敏感性则是……。这些方面均与材料的化学成分和组织存在关联，并且是选材以及制订生产工艺的重要依据。
1 淬透性
钢的淬透性指在特定条件下，钢件淬火后能够获取淬硬深度的这种能力。一般来说，钢的淬透性可以通过淬火临界直径、截面硬度分布曲线以及端淬硬度分布曲线等来进行表示。
淬火临界直径指的是淬火试件中心能够形成一定量马氏体，也就是心部达到一定临界硬度时的最大直径。并且临界硬度与碳含量的关系可参见图 1。
图 1 展示了钢淬火临界硬度与马氏体量（以体积分数表示）以及含碳量（以质量分数表示）之间的关系
马氏体含量分别为 99.9%、95%、90%、80%、50%，其中 1 对应的是 99.9%马氏体，2 对应的是 95%马氏体，3 对应的是 90%马氏体，4 对应的是 80%马氏体，5 对应的是 50%马氏体。
一般机械制造行业通常以心部能获得 50%马氏体（体积分数）作为淬火临界直径的标准。对于重要及军工零件，会以心部获得 90%马氏体（体积分数）作为临界直径标准，这样做是为了确保零件整个截面都能获得较高的力学性能。
零件淬火后，不一定能得到全部的马氏体组织，会出现数量不同的非马氏体组织。即便可以通过降低回火温度来获得相同的硬度，但会导致冲击韧性和疲劳性能降低。当淬火马氏体含量低于 50%（体积分数）时，其下降的幅度会更大。如图 2 所示，如图 3 所示。
图2 40Mn2淬火后组织中马氏体含量对Ak的影响
淬火830℃×1h，试样回火后硬度34-35HRC
1-100%马氏体，58HRC，回火538℃×1h
2- 85%马氏体，51HRC，回火482℃×1h
3- 70%马氏体，47HRC，回火454℃×1h
4- 40%马氏体，40HRC，回火385℃×1h
图 3 显示了 40Mn2（4140 钢）淬火硬度对回火后疲劳强度所产生的影响。 40Mn2（4140 钢）淬火硬度会影响回火后疲劳强度。 回火后疲劳强度受到 40Mn2（4140 钢）淬火硬度的作用。
马氏体量均为40%，淬火前硬度：1-55HRC
2-47HRC 3-40HRC，回火后硬度均为40HRC
钢的淬透性使得钢出现了尺寸效应，也就是质量效应。因为零件的截面尺寸有大小之分，所以会导致淬硬层深度不一样，并且还会对淬火件的表面硬度产生影响。因此，设计师一定要充分留意材料的淬透性，要合理地选择材料。在设计大截面或者形状复杂的重要零件时，应该选择具有良好淬透性的材料。
使用淬透性优良的合金钢，添加 Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Cu 以及少量的 B、V、T 等元素，以此来提升钢的淬透性。这样能够确保在整个截面都能具备高强度与高韧性的良好配合。并且还能减少热处理过程中的变形和开裂情况，避免出现淬裂的危险尺寸，比如中碳钢水淬时约为 8 - 12mm，油淬时约为 25mm。
39mm)。设计师需根据零件的服役条件来合理确定淬透性要求。对于重要零件，像连杆、高强度螺栓、拉杆、航空零件等，要保证淬火后心部能获得 90%以上的马氏体（体积分数）；而对于一般单向受拉、受压的零件，淬火后心部获得 50%马氏体（体积分数）就可以了；考虑到零件刚度的需要，尺寸较大的曲轴，淬火后只需保证离表面 R/4 处能获得 50%以上的马氏体（体积分数）；弹簧零件通常要求淬透；对于滚动轴承和小轴承要全部淬透，但受冲击载荷大的大轴承则不宜淬透。设计师要注意，各种材料手册中的数据存在尺寸限制。不能凭借小尺寸试样的性能指标去进行大尺寸零件的强度计算。
工艺师需依据钢的淬透性来合理安排加工工序。若零件尺寸较大，并且受到淬透性的限制，为确保淬硬层深度，可采取先进行粗加工，之后再进行热处理，热处理完毕后再进行精加工的方式。对于截面差别较大的零件，例如大直径台阶轴，从淬透性方面进行考虑，可先进行粗车使其成形钢材热处理手册，接着进行调质处理，以此来增加淬硬层深度。
这样做可以减少零件的变形和开裂趋向。
2 淬硬性
淬硬性指的是在理想淬火条件下，通过以超过临界冷却速度进行冷却（避开鼻尖），让形成的马氏体能够达到最高硬度。钢的淬硬性主要由钢的碳含量来决定，碳含量越高，淬火后的硬度就越高，而其他合金元素的影响相对较小。当碳含量（质量分数）达到 0.6%时，淬火钢的硬度接近最大值。碳含量进一步提升。此时，马氏体硬度会有所上升。然而，因为残留奥氏体量在增加，所以碳素钢的硬度提升幅度不大。并且，合金钢的硬度反而会降低，详见图 4。
图4 含碳量对马氏体硬度的影响
设计师在进行零件设计时需考虑钢的淬硬性，要合理地确定钢的含碳量。如果要求表面硬度较高，那么就应当选择中碳钢或高碳钢；倘若对表面硬度要求不高，通常就选择中碳钢或低碳钢。可以依据图 5 中所列的钢的强度、硬度与最小含碳量的关系以及图 6 所示的淬火硬度与回火硬度的关系，来确定零件的最小含碳量，并且选择相应的钢号。
图5 钢的强度、硬度和最低含碳量之间的关系
图6 调质钢淬火硬度与回火硬度的关系
某零件对σs 有要求，在图 5 中能够通过①到②这一过程查出回火后硬度需达到 HRC48，淬火的最低硬度为 HRC53，可参考图 6；沿着③到④这一路径可以查出钢的最低含碳量（质量分数）为 0.4%。
3 回火脆性
钢制零件的使用性能主要是通过回火来获得的。回火温度等参数主要是依据设计强度要求来进行选择的。然而，很多钢种在回火温度升高时，会出现两次冲击韧性明显降低的这种现象，这种现象被称之为回火脆性。
钢在约 300℃的温度范围内回火时会出现一种脆性，这种脆性被称为第一类回火脆性，同时也称作低温回火脆性；在 400 至 550℃的温度范围内回火会产生另一种脆性，此脆性被称为第二类回火脆性，也叫做高温回火脆性。回火脆性的特点如表格 1 所展示。
表1 第一、第二类回火脆性的特点
在设计和生产过程中，应尽可能不选用那些需要在脆性回火温度区间回火才能够达到的强度水平。常见钢的回火脆性温度范围如表格 2 所展示的那样。
表2 常用钢产生回火脆性的温度范围（℃）
当含有 Al、Ti、Ni、B 元素时，能够抑制低温回火脆性。通过采用快速冷却的办法，就可以消除第二类回火脆性。选用含有 Mo、W 的合金钢、细晶粒钢以及高纯净钢，能够降低高温回火脆性。
4 过热敏感性
在刚进行加热的时候，因为温度过高，并且保温时间也过长，所以晶粒会长大，进而导致性能显著降低，这种现象被称作过热。
加热温度接近液相线附近时晶界会被氧化和部分熔化称之为过烧。
过热的一个重要特征是晶粒粗大。晶粒粗大会使钢的塑性降低，使钢的冲击韧度降低钢材热处理手册，使钢的疲劳性能降低。同时，晶粒粗大还会提高钢的脆性转变温度。过热还会使马氏体粗大，马氏体粗大就会降低其耐磨性，还会增加淬火变形和开裂倾向。因此，在制造过程中，总是会通过各种途径来细化晶粒，以此达到细化组织、提高性能的目的。各种钢中，含 Mn 的钢其过热敏感性比较大。W 元素能降低晶粒长大倾向，Mo 元素能降低晶粒长大倾向，Cr 元素能降低晶粒长大倾向，微量的 Al 元素能降低晶粒长大倾向，微量的 Ti 元素能降低晶粒长大倾向，微量的 V 元素能降低晶粒长大倾向，微量的 Zr 元素能降低晶粒长大倾向，微量的 Nb 元素能降低晶粒长大倾向。
在设计和生产过程中，要留意钢的过热敏感性。需选择合适的钢种，并且合理地挑选淬火加热温度以及保温时间，还要依照工艺要求精准地控制工艺参数。深渗层渗碳零件在进行渗碳时，温度较高且时间较长，这样容易引发晶粒粗大的倾向。因此，对于含 Mn 钢等过热敏感性较大的钢种，通常不会直接进行淬火，而是应该采用二次淬火的方式。
一般过热组织能够通过多次正火或退火来消除。对于严重的过热组织，例如石状断口，不能仅仅依靠热处理方法来消除，必须采用高温形变和退火的联合作用才可以消除。过烧组织无法挽救，是不被允许的缺陷。
5 耐回火性
耐回火性指的是钢在回火过程中抵抗软化的能力，它也被称作回火抗力、抗回火性以及回火稳定性。当钢的耐回火性较好时，在回火过程中，其组织和性能的变化较为缓慢，能够在较高的温度下进行回火后再使用。合金钢的耐回火性比碳钢要好，因此，对于碳含量相同的钢种，若要达到相同的回火硬度，合金钢的回火温度要比碳钢高，回火时间要更长，回火后的内应力比碳钢小，并且塑性和韧性也更高。
在工业生产领域，对于那些要求内应力能够被消除得比较完全，并且强度与韧性能够配合得较好的零件，在进行设计的时候，应该选用耐回火性比较好的合金钢。而对于那些使用温度比较高的零件，需要选择耐回火性良好的钢种，通常情况下，使用温度的最高限度是在回火温度以下 50℃。
6 氧化脱碳趋向
钢在加热时，因周围有氧化气氛，其表面会形成金属氧化物，这会让钢表面失去原本的光泽，这种情况被称作氧化；与此同时，钢材表面的碳会全部或部分丧失，导致表面碳含量降低，这被称作脱碳。在还原气氛中进行加热，通常不会出现氧化现象，但如果控制不当，就会产生脱碳。
在各种钢种中，含硅钢的氧化脱碳倾向比较大。
在工业生产中要尽量避免氧化脱碳。重要受力件不允许其最终零件上存在氧化脱碳层。为此，设计师需根据生产过程和现场条件，合理留出足够的加工余量；工艺师应妥善安排好加工流程；热处理工作者应积极运用各种少无氧化脱碳的热处理工艺，以控制氧化脱碳，保证零件热处理质量，从而获得可靠稳定的使用性能。
7 高强度钢表面状态敏感性
超高强度钢具备高强度这一特性，能够减轻零件的重量，提升产品的性能，其应用范围在持续扩大。然而，超高强度钢的缺口敏感性相对较大，对表面状态较为敏感，一旦表面不完整，就会致使其疲劳性能、耐蚀性能、塑性与韧性等指标大幅度降低，甚至会引发灾难性的破坏。所以，需要注重改善缺口敏感性，确保表面的完整性，防止出现氢脆和表面氧化脱碳的情况。具体的措施详见表 3 。
表3 超高强度钢表面状态敏感性改进措施
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