钢是地球上必不可少的标志性金属之一。通过铁和碳的组合，可产生一种结实耐用、功能多样、使用广泛的合金……
从建筑物、基础设施、水上船只、汽车、机械设备、电器用品到简单的餐具如叉子和勺子，钢的应用几乎无处不在。这归因于钢的诸多理想特性，其中之一就是硬度，即材料抵抗压痕、冲击或磨损引起变形的能力。然而，对于某些特定的工程应用，如承重结构和发动机部件，钢的天然硬度并非总能符合需求。因此，人们开发了多种方法来显著提高钢的硬度及其他特性，这些方法被称为钢淬火。
钢淬火通常是在成品而非原材料上进行。在CNC加工中，钢淬火是对已加工部件进行的一种后续处理。这么做有以下几个原因，首先，淬火整块钢材不经济，因为在加工过程中会去除大部分材料。此外，淬火后的钢材更难加工，因为工件的硬度使得工具的穿透变得更加困难。
钢的内部结构及其硬度
我们所见的钢材并非都有相同的成分。确切地说，不同的用途需要不同的钢材成分。钢材的差异归结于其内部结构。随着对更高强度承重金属需求的增加，钢淬火变得必不可少。基本形式的钢材强度和硬度相对较低。然而，通过改变其内部结构，可以显著提高其强度和硬度。钢淬火是指通过一系列工艺过程，促使特定内部结构形成。钢的内部结构包括：
马氏体
这是钢硬度更高的内部晶体结构形式。奥氏体铁的快速冷却形成马氏体。由于其快速冷却速率，碳被固溶在固体中导致零件变硬。它非常硬且脆。马氏体具有针状锥形的微观结构，看起来像透镜状板块或片状，这些板块将母相的晶粒分割并细分，始终接触但永不交叉。这种结构存在于许多合金系统中，包括Fe-C、Fe-Ni-C等。
奥氏体
奥氏体是继马氏体之后第二硬的钢内部结构。它指的是铁合金中的γ-铁。通常在1500 ºC以下和723 ºC以上出现。
珠光体
珠光体与马氏体不同，因为珠光体结构是通过缓慢冷却形成的。它是铁素体和渗碳体的层状排列。在723 ºC时，γ-铁从其面心立方结构转变为α-铁，迫使铁碳化物（渗碳体）从溶液中析出。
钢淬火方法
钢淬火有多种方法可供选择，包括热处理、机械处理、化学处理，或它们当中两种或多种的组合。热处理通常是更常见的钢淬火方法，通常包括三个主要阶段：加热钢材、保持特定温度和冷却。通常涉及将金属加热到足够高的温度，以引发内部结构的变化，从而使金属更易于加工，例如改变其形状。钢淬火的各种方法包括：
冷加工
冷加工通常会改变钢材或金属的性质。这种钢材淬火方法是在金属的熔点以下温度进行金属的变形。屈服强度、抗拉强度和硬度等性能会增加，而塑性和材料的变形能力则会减少。在塑性变形过程中，位错的积累和缠结是一种重要的强化机制。虽然冷加工过程中约90%的能量会以热的形式散失，但剩余的能量存储在晶格中，从而增加了其内部能量。
固溶合金淬火
固溶强化是将合金元素添加到基础金属中以形成固溶体的过程。在固化过程中，由于合金原子存在于基础金属的晶格中，金属会硬化。溶质原子与溶剂原子之间的大小差异影响固溶化的效果。如果溶质原子大于溶剂原子，则会产生压缩应变场。另一方面，如果溶剂原子大于溶质原子，则会产生拉伸应变场。晶格变形成四方结构的溶质原子会导致快速硬化。钢中的渗碳体就是一个明显的例子。
淬火和回火
在淬火过程中，也称为马氏体转变，钢材被加热到超过临界温度，进入奥氏体区域，并保持在该温度下一段时间，然后迅速冷却，通常是用水、油或熔融盐进行淬火。对于亚共析钢而言，加热温度通常高于奥氏体溶解线的极限温度30-50 ºC。对于过共析钢，加热温度则高于共析温度。淬火过程引起马氏体转变，显著提高钢的硬度。然而，经淬火处理的钢材也会变得非常脆。因此，必须进行回火以缓解内部应力并降低脆性。在淬火中，若冷却速度足够快以确保完全形成马氏体，则可达到更大硬度。
表面（外壳）淬火
顾名思义，表面淬火创造了一个硬的表面，以抵抗在曲轴、轴承等应用中的磨损。这种钢淬火的方法通常涉及以下三种途径之一：
感应和火焰淬火
感应和火焰淬火是一种表面差异热处理方法。在这种方法中，表面迅速加热，以防止材料的中心受到影响。随后，材料经历更迅速的淬火过程，从而在表面形成高含量的马氏体结构。
扩散淬火（氮化处理）
这是一种表面区域的成本改变方法。通过让选定的气体与钢反应并扩散进入钢中，细小颗粒被分散在表面。在此过程中，钢经过热处理以形成回火马氏体结构，然后在约550 ºC的氨环境中暴露12-36小时。小合金元素如铝或铬有助于形成细小的氮化物分散相，显著提高表面硬度和耐磨性。与马氏体相比，这种氮化物的组成在硬度方面表现出更显著的优势。
渗碳
渗碳处理是一种工艺，将钢置于高温且富含碳的环境中。这种碳环境可以由优质煤或解离的天然气产生。碳原子会扩散到金属的亚表面，形成高碳层，随后经过淬火处理，形成硬度高、耐磨的马氏体表面。
钢硬度测试
硬度没有一个特定的测量单位，而是通过指数来描述。这些指数的具体使用取决于所采用的测试方法。一些常见的硬度测试方法包括：
布氏硬度测试
在这个测试中，将一个已知直径的钢球作为载荷施加在材料表面上。然后使用下表中的公式计算布氏硬度数值（BHN）。测量所形成印痕的直径，结合钢球的直径，即可计算出BHN。
维氏硬度测试
在维氏硬度测试中，采用一个方形基底的金刚石锥体作为载荷。这个载荷施加在材料表面大约30秒。计算金字塔印痕的面积后用于计算金属的硬度。
努氏显微硬度测试
这种硬度测试专门用于薄片或脆性材料。使用金刚石锥压头在材料上制造一个非常小的凹痕，然后使用显微镜观察和测量这个凹痕，用于计算材料的硬度。
洛氏硬度测试
洛氏硬度测试旨在测量钢材在热处理前后的硬度差异。穿透器可以是钢球或金刚石锥穿透器器。通过确定穿透深度来测量硬度。通常施加两个载荷：一个小载荷造成初始印痕，一个大载荷造成主要穿透。
| 测试 | 压头 |
| 布氏 | 10毫米的钢球或钨碳合金 |
| 维氏 | 金刚石锥体 |
| 努氏 | 金刚石锥体 |
| 洛氏 | 金刚石圆锥体 |
可以淬火的钢种类
美国钢铁协会（AISI）将钢铁分为四大主要类别：
- 碳钢
- 合金钢
- 不锈钢
- 工具钢
钢的基本元素是铁和碳。然而，不同量的碳及其他合金元素的变化决定了每个分类的性质。钢中的碳含量决定其淬火性能和更大可达到的硬度。特别是在淬火过程中，碳能促进马氏体的形成，这一点尤为显著。
碳钢(UNS G10050-G15900, DIN 1.0xx)
碳钢是铁的合金，含有高达2%的碳。通常还含有微量的合金元素，以增强特定的性能。根据含碳量的不同，碳钢可以进一步分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。
低碳钢
也称为软钢，其含碳量为0.08 – 0.35%。由于其碳含量较低，低碳钢不能通过淬火进行钢淬火，但它们可以通过表面淬火进行硬化。
中碳钢
这种钢含有0.35% – 0.5%的碳。它们比低碳钢更强，但加工难度更大。中碳钢可以通过淬火快速硬化。当与微量的锰合金化时，其淬火性能会增强。中碳钢也会进行表面淬火处理，用于以耐磨性为关键核心的应用，例如曲轴。
高碳钢
高碳钢含有超过0.5%的碳。由于碳含量高，这类钢具有很强的淬火性能。通常通过淬火强化硬度。但这也使它们变得相当脆，因此需要回火处理。
合金钢 (UNS G13300-G98500, DIN 1.2xxx)
除了碳含量外，化学成分是影响钢淬火性能的另一个因素。合金钢含有不同量的铜、镍、锰、硼和钒等元素。这些钢材通过淬火可以显著提高硬化能力。这是因为合金元素延迟了奥氏体的分解，从而使合金钢更容易形成马氏体。固溶淬火也是一种有效且常见的合金钢硬化方法。
不锈钢 (UNS S00001-S99999, DIN 1.4xxx)
不锈钢是含有10%到20%的铬作为主要合金元素的钢材。它们对腐蚀和侵蚀具有很高的抵抗能力。根据它们的结构和成分，不锈钢可以分为以下几类：
奥氏体钢
奥氏体钢通常含有铁、18%的铬、8%的镍和少于0.8%的碳。它们是广泛使用的不锈钢类型。奥氏体不锈钢不具有磁性，也不可热处理。但它们可以通过冷加工很容易地进行硬化。
铁素体钢
这些钢材通常含有少于0.1%的碳，12-17%的铬，以及微量的镍。铁素体不锈钢具有磁性，但不能通过热处理硬化。冷加工是硬化它们的有效方法。
马氏体钢
由于其内部结构，马氏体不锈钢非常坚硬。这些钢材除了含有12-17%的铬外，还含有高达1.2%的碳。由于其相对较高的碳含量，马氏体不锈钢可以通过热处理轻松进行硬化。
双相钢
双相钢具有铁素体和奥氏体的双重微结构。这类钢材可以通过热处理或表面淬火进行硬化。
析出硬化
析出硬化不锈钢是含有铬、镍和其他合金元素（如铜、铝和钛）的不锈钢。这些合金元素使不锈钢可以通过溶解和时效热处理进行硬化。它们可能是奥氏体或马氏体。
工具钢 ( UNS T00001-T99999; DIN 1.23xx, 1.27xx, 1.25xx)
顾名思义，工具钢通常用于制造切削和钻削工具等工具。它们通常含有钨、钴、钒和钼等元素。这些工具可以通过冷加工硬化，也可以通过淬火等热处理方法进行硬化。
不同类型的钢及其适合的淬火方法如下
| 钢的类型 | 淬火或时效 | 表面淬火 | 固溶淬火 | 冷加工 |
| 低碳钢 | ✔ | |||
| 中碳钢 | ✔ | ✔ | ||
| 高碳钢 | ✔ | |||
| 奥氏体钢 | ✔ | |||
| 铁素体钢 | ✔ | |||
| 马氏体钢 | ✔ | |||
| 双相钢 | ✔ | ✔ | ||
| 析出硬化钢 | ✔ | |||
| 合金钢 | ✔ | ✔ | ||
| 工具钢 | ✔ | ✔ |