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調(diào)質(zhì)鋼通常是指采用調(diào)質(zhì)處理(淬火十高溫回火)的碳素結(jié)構(gòu)鋼與合金結(jié)構(gòu)鋼。
在機器結(jié)構(gòu)中，一些重要的零件，如機床主軸、汽車后橋半軸、汽輪機轉(zhuǎn)子和齒輪、連桿、螺栓等零件，都是在多種負荷下工作的，受力情況比較復雜，要求具有最佳的綜合力學性能。一般選用調(diào)質(zhì)鋼來制造這些零件，并進行調(diào)質(zhì)處理使其達到所需要的使用性能。調(diào)質(zhì)后的材料內(nèi)部顯微組織為回火索氏體。
調(diào)質(zhì)鋼的含碳量一般在0.30％-0.50％之間，居于中碳鋼。碳量過低，影響強度；碳量過高，韌性不夠。實踐證明；為了使調(diào)質(zhì)零件獲得最為良好的綜合力學性能，碳素調(diào)質(zhì)鋼的含碳量應(yīng)控制在上述范圍的上限；而合金調(diào)質(zhì)鋼的含碳量應(yīng)控制在上述范圍的下限。
合金調(diào)質(zhì)鋼中所包含的主加合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、等。它們所起的主要作用是增加合金調(diào)質(zhì)鋼的淬透性，并且使淬火和高溫回火后內(nèi)部組織—回火索氏體得到強化(實際上，這些元素大多溶于鐵素體中，使鐵素體得到強化)。其余如Mo、V、A1、B等輔加合金元素，它們在合金調(diào)質(zhì)鋼中的含量一般是少量的，特別是B的含量是極微量的(0.0005%-0.003%)。Mo所起的主要作用是防止合金調(diào)質(zhì)鋼在高溫回火時發(fā)生第二類回火脆性現(xiàn)象。V的作用主要是阻礙淬火加熱時奧氏體晶粒長大。A1的加入能加速合金調(diào)質(zhì)鋼的氮化過程，可成為專用氮化鋼，如38CrMoAlA。微量的B能強烈使奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線向右移，顯著地增加合金調(diào)質(zhì)鋼的淬透性。
淬透性對機器制造結(jié)構(gòu)鋼有十分重要的意義，淬透的鋼可以獲得高強度和高屈強比。淬火后淬透層的強度可達1700MPa，屈強比。完全淬透的鋼其屈強比遠高于沒有淬透的鋼。淬透的鋼可獲得最高的斷裂韌性KIC值，最高的疲勞強度和沖擊韌性，最低的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度FATT50。
合金調(diào)質(zhì)鋼強度主要取決于 相的強度和碳化物的彌散強化作用。碳含量在0.3%-0.5%之間，可以保證有足夠多的碳化物以獲得高強度。碳素調(diào)質(zhì)鋼與合金調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)淬火回火到相同的強度和硬度時，它們在 和δ值上相近，但在斷面收縮率ψ值上存在差別，強度愈高，差別愈顯著，合金元素對調(diào)質(zhì)鋼的韌性有不同的影響。在回火后快冷不發(fā)生回火脆性的情況下，與碳素鋼相比，加入Mn、Ni可以改善沖擊韌性和降低韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，雜質(zhì)P使韌-脆轉(zhuǎn)變溫度升高，降低鋼的沖擊韌性。
合金調(diào)質(zhì)鋼在高溫回火時，發(fā)生回火脆性，這種高溫回火脆是可逆的，與冷卻速度有關(guān)。例如一種含Ni、Cr的合金調(diào)質(zhì)鋼淬火后在650℃回火，冷卻速度不同，室溫沖擊值不同（如表）。
表 合金調(diào)質(zhì)鋼高溫回火后不同冷卻速度的室溫沖擊韌性
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650℃后冷卻方式
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室溫沖擊值/J
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爐冷
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9.4
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空冷
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23.5
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油冷
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59.8
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水冷
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74.6
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同時，在350℃-600℃范圍等溫時間愈長，無論冷卻速度快慢，其室溫沖擊韌性都將降低，韌-脆轉(zhuǎn)變溫度升高。鋼中加入Mo、W，可以減輕甚至消除合金調(diào)質(zhì)鋼高溫回火脆性，如40CrNiMo、35CrMo等。
由于調(diào)質(zhì)鋼均在中碳范圍，加上合金元素的影響，所以，許多調(diào)質(zhì)鋼在組織上有較大的差異。合金調(diào)質(zhì)鋼含合金元素較少時，正火后的組織多為珠光體，而合金元素較多的正火后則為馬氏體組織。因而分別稱為珠光體型鋼和馬氏體型鋼。此外，為了便于切削加工和改善鋼件因熱加工不當造成的粗晶組織和帶狀組織，需要進行預(yù)備熱處理，以及保證產(chǎn)品性能的最終熱處理。
1預(yù)備熱處理
首先將鋼件在Ac3以上加熱，出爐空冷。然后根據(jù)鋼材類型，再分別進行退火（對珠光體型鋼）或高溫回火（馬氏體型鋼）。正火處理的目的是細化晶粒，減少組織中的帶狀程度和調(diào)整好硬度，便于機械加工。經(jīng)正火處理的鋼件具有等軸狀細晶粒。對于珠光體型鋼也可以在800℃左右進行一次退火代替正火，可以達到同樣效果，即既細化晶粒，又改善切削加工性。對馬氏體型鋼，可在正火之后，再在Ac1以下進行高溫回火。Ni含量大于3.5%的Cr-Ni鋼可在640℃回火，含Ni量較低的鋼在660℃回火，而Cr鋼和Cr-V鋼在680-700℃回火。經(jīng)過高溫回火后，馬氏體型鋼的硬度可以由原來的380-550HB降至207-240HB，此時鋼件能順利地進行切削加工。
2最終熱處理
將鋼件加熱至850℃左右淬火。具體加熱溫度視鋼件成分而定。淬火介質(zhì)可以根據(jù)鋼件尺寸和鋼的淬透性加以選擇，實際上一般合金結(jié)構(gòu)鋼制零件，皆可在油中淬火。而合金含量較高的、淬透性特別大的鋼材，甚至在空氣中都能淬火硬化。
淬火是調(diào)質(zhì)鋼最終熱處理的第一步。處于淬火狀態(tài)的鋼，其塑性低，內(nèi)應(yīng)力大，不能直接使用，必須進行第二步熱處理工序-回火，即在500-650℃高溫回火，對回火脆性敏感性較大的鋼，回火后必須迅速冷卻（水冷或油冷），以抑制高溫回火脆性的發(fā)生。鋼中的雜質(zhì)元素磷、錫、銻、砷等在原奧氏體晶界的平衡偏聚引起晶界脆化，是產(chǎn)生高溫回火脆性的的直接因素。這些雜質(zhì)元素的含量超過十萬分之幾，就可能使鋼產(chǎn)生回火脆性傾向。特別是在450-550℃范圍工作的鋼，對此尤為敏感。合金元素鉻、錳、鎳、硅等強烈促進鋼的高溫回火脆性。稀土元素和雜質(zhì)元素能形成穩(wěn)定的化合物，如LaP、LaSn、CeP、CeSb等金屬間化合物，可以大大降低甚至是消除鋼的高溫回火脆性。若稀土元素和Mo進行復合合金化，則效果更佳，可以解決長時間在450-550℃范圍內(nèi)工作的部件的高溫回火脆化問題。
通常，調(diào)質(zhì)鋼制零件除了要求較高的強、韌、塑性配合外，往往還要求某些部位（如軸類零件的軸頸或花鍵處）有良好的耐磨性。為此，調(diào)質(zhì)處理后還要在局部進行高頻感應(yīng)表面淬火，然后低溫回火，可以使這些部位的表面硬度達到56-58HRC。如零件要求更耐磨、更高的尺寸精度，就需要選用氮化鋼（如38CrMoAlA）調(diào)質(zhì)處理后再氮化處理。對帶有缺口的零件，為減少缺口引起的應(yīng)力集中，調(diào)質(zhì)以后在缺口附近，再進行噴丸或滾壓強化，可以大大提高疲勞抗力，延長使用壽命。
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