从根本上说，热处理和机械加工是控制材料最终性能的主要方法。热处理会改变材料的内部原子结构，从而改变硬度和强度等特性，而机械加工则根据这些内在特性对材料进行测试或塑形。这些方法协同作用，将原材料合金转变为专为特定目的而设计的组件。
最基本的要点是：材料性能不是固定的。热处理通过排列材料的微观结构，从内部对材料进行工程设计；而机械加工则通过外部作用力来显现、测试或进一步精炼这些性能。
热处理的作用：从内部到外部的工程设计
热处理是对材料（通常是金属合金）进行加热和冷却的有意且受控的过程，目的是实现特定的、理想的性能。它不会改变零件的形状，只改变其内部状态。
目标：控制微观结构
金属的性能取决于其微观结构——其晶粒和相在微观层面的特定排列。热处理就是用来控制和操纵这种结构的工具。
关键杠杆：加热和冷却
通过加热金属，你给予其原子足够的能量进行移动，这个过程称为扩散。这使得内部结构得以重新排列。
然后，冷却速率会“锁定”特定的微观结构。非常快的冷却（淬火）会形成与非常缓慢的冷却（退火）不同的结构，每种结构都具有独特的性能。
结果：改变机械性能
这种对微观结构的控制直接转化为机械性能的变化。你可以精确地调整以下各项的平衡：
- 硬度：抗划伤和抗压痕的能力。
- 强度：承受力而不发生变形或断裂的能力。
- 延展性：在不发生断裂的情况下变形的能力（例如，被拉成线）。
- 韧性：吸收能量并抵抗冲击破碎的能力。
机械加工的影响：成型与测试
机械加工过程涉及施加力来改变材料的形状（例如，锻造、冲压）或去除材料（例如，机加工、磨削）。材料的反应方式是其热处理后性能的直接结果。
脆性与塑性行为
材料的性能决定了它对力的反应方式。在磨削等过程中可以清楚地看到这一点。
脆性材料容易断裂，磨削它所需的能量相对较少。施加的能量有效地产生了新的断裂面。
塑性或韧性材料在断裂前会发生大量变形。在磨削中，这意味着大部分能量被用于使颗粒变形而不是使其断裂，使得该过程的能耗增加十到一百倍。
加工硬化：变形的后果
机械变形金属的行为本身也会改变其性能。在低温下弯曲、轧制或锻造金属会增加其硬度和强度，这种现象被称为加工硬化。
理解权衡
选择加工路径总是在相互竞争的性能之间进行权衡。材料不存在单一的“最佳”状态；它必须针对其预期功能进行优化。
硬度与韧性的困境
这是材料工程中最常见的权衡。显著增加材料硬度的工艺几乎总是会降低其韧性，使其更脆。
锉刀需要非常硬才能切割其他金属，但如果掉落可能会碎裂。汽车框架需要有韧性来吸收碰撞中的冲击能量，因此它的设计是弯曲和变形而不是破碎。
效率与成本
材料的性能直接影响制造成本。如前所述，磨削高塑性材料需要巨大的能量，从而增加了运营费用。
有时，材料会经过有意热处理使其处于更脆的状态，仅仅是为了使其更容易、更便宜地进行机加工，然后再进行二次处理以达到其最终所需的性能。
如何将其应用于你的目标
你选择的热处理和机械加工取决于组件的最终用途。
- 如果你的主要关注点是最大的硬度和耐磨性： 你需要进行快速冷却（淬火）的热处理，但必须考虑到由此导致的韧性下降。
- 如果你的主要关注点是韧性和可成形性： 你应该使用退火（慢速冷却）等工艺来形成更柔软、更具延展性的微观结构，使其能够承受变形。
- 如果你的主要关注点是高效的材料去除： 理想的预热处理是使材料足够脆，以便于轻松机加工或磨削，从而最大限度地减少能耗和刀具磨损。
掌握热量、力和原子结构之间的相互作用是现代材料工程的精髓。
总结表：
| 工艺 | 主要目标 | 关键结果 |
|---|---|---|
| 热处理 | 改变内部微观结构 | 控制硬度、强度、延展性、韧性 |
| 机械加工 | 改变形状或去除材料 | 根据热处理状态测试或精炼性能 |
| 组合效应 | 为特定应用设计材料 | 平衡相互竞争的性能以实现最佳性能 |
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