中碳钢经调质、淬火、回火热处理后性能会产生一系列的变化，热处理方式有调质、淬火后低温回火、高频淬火后低温回火、等温淬火和淬火后中温回火。
1、调质处理组织为回火索氏体，这种组织具有良好的综合力学性能，强度较高，塑性和韧性良好。调质用钢要具有良好的淬透性，以保证调质件整个截面上组织和性能均匀。与合金钢相比，碳素钢的淬透性较差，所以只适于截面尺寸不大的中碳钢零件进行调质处理。

2、淬火后低温回火处理：组织为回火马氏体，这种组织具有很高的强度和适当的塑性和韧性。
3、高频淬火后低温回火。高频淬火层组织为极细的隐针马氏体，低温回火后得到回火马氏体，经这种处理可以得到与渗碳处理类似的效果。高频淬火前一般进行调质或正火。所以高频淬火和回火后，零件心部强度较高，塑性和韧性良好，而其表层硬度高，耐磨性好。另外，高频淬火件表层产生压应力，其疲劳极限高，使用寿命长。

4、等温淬火处理。组织为贝氏体，这种组织具有较高的强度和良好的塑性和韧性。(5)淬火后中温回火。组织为回火索氏体。
中碳钢属于亚共析钢，其退火组织为珠光体和铁素体。随着钢中碳含量增加，组织中珠光体数量增加，而铁素体数量减少。碳含量大于0.40%的钢淬火组织为马氏体;碳含量大于0.40%时，除了马氏体外还有少量残留奥氏体，残留奥氏体数量随着钢中碳含量的增加而增加。中碳钢在最终热处理之前有的进行正火作为预先热处理，其目的是细化晶粒，减轻钢中组织不均匀性，得到均匀的珠光体和铁素体组织，为最终热处理作组织准备。
中碳钢经调质处理后，主要用于制作各种传动轴、连杆、离合器、轴销、螺栓等。中碳钢经高频淬火和低温回火后，用于受冲击载荷且要求耐磨的齿轮、车床主轴、花键轴、凸轮轴和半轴等。正火状态或不经热处理的中碳钢，用于制作负荷不大的拉杆、套筒、紧固件、垫圈和手柄等。碳含量较高的中碳钢用于制作弹簧和钢丝等。

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