5种主要热处理方法是什么？掌握金属硬度、韧性和延展性

金属的五种主要热处理工艺是淬火、回火、退火、正火和表面硬化。 每种工艺都是高度受控的加热和冷却循环，旨在有意改变金属的内部结构。目标是操纵其机械性能——如硬度、韧性和延展性——以满足特定应用的精确要求。

热处理并非旨在使金属普遍“更强”。它是通过控制金属的晶体微观结构，精确调整硬度和韧性之间的权衡，以实现可预测的工程结果。

核心原理：操纵微观结构

要理解热处理，首先必须了解固体金属具有内部晶体结构，通常称为“晶粒结构”。这些晶粒的尺寸、形状和成分决定了金属的机械性能。

将钢件加热到临界温度（“奥氏体化”温度）以上，会使其晶体结构转变为均匀的固溶体，称为奥氏体。接下来发生什么完全取决于冷却速率。

金属从奥氏体状态冷却的速度决定了最终的微观结构。非常快速的冷却会产生坚硬的结构，而非常缓慢的冷却会产生柔软的结构。每种主要工艺都只是控制这种冷却速率的明确方法。

每种工艺都通过遵循特定的加热和冷却曲线来达到不同的结果。虽然它们通常是分开讨论的，但淬火和回火等工艺几乎总是同时使用。

淬火是一种旨在使钢部件达到最大硬度和耐磨性的工艺。

部件被加热到临界温度以上以形成奥氏体，然后通过将其浸入水、油或盐水等淬火介质中进行极快速冷却。这会“冻结”碳原子，形成高度应力的针状晶体结构，称为马氏体，其异常坚硬和脆性。

仅经过淬火的部件对于几乎任何实际用途来说都过于脆性。回火是恢复韧性的必要后续工艺。

淬火后的部件被重新加热到其临界点以下的精确温度，并保持特定时间。这个过程可以缓解马氏体结构内部的应力，略微降低硬度，但显著提高韧性和延展性。

退火是一种用于使金属尽可能柔软和具有延展性的工艺。

金属被加热到临界温度以上，保持以确保温度均匀，然后进行非常缓慢的冷却，通常是让其在炉内冷却。这种缓慢冷却允许晶粒重新形成粗大、无应力的结构，易于加工、成形或冲压。

正火是一种用于细化晶粒结构，产生比轧制或退火状态更均匀和理想的硬度和强度组合的工艺。

部件被加热到临界温度以上，然后允许在静止空气中冷却。这种冷却速率比炉内冷却（退火）快，但比淬火（淬火）慢得多。结果是细晶粒微观结构，比退火部件更坚固、更坚韧，使其成为最终淬火工艺前的极佳预处理。

表面硬化可以使部件具有两套截然不同的性能：非常坚硬、耐磨的外部表面（“表层”）和较软、较韧的内部核心。

这通常用于低碳钢，因为它们不能通过简单的淬火来硬化。该工艺涉及在高温下将碳（渗碳）或氮（渗氮）等元素引入钢的表面。经过这种化学变化后，部件被淬火，仅硬化高碳表面层，同时保持低碳核心坚韧和具有延展性。

选择热处理始终是管理折衷的过程。最基本的权衡是硬度和韧性之间。

硬度是材料抵抗磨损和压痕的能力。韧性是吸收能量和变形而不发生断裂的能力。对于大多数钢材，这两个性能呈反向关系。

通过淬火等工艺提高硬度时，材料的韧性会降低，使其更脆。通过回火或退火等工艺提高韧性时，其硬度会降低。

这些工艺的有效性完全取决于材料的化学成分。对于钢材来说，最关键的因素是其碳含量。

高碳钢通过淬火可以变得非常坚硬，而低碳钢在没有表面硬化等工艺的情况下不会显著硬化。具体的合金成分决定了所需的理想温度、保温时间和冷却速率。

您选择的热处理应直接由成品部件的主要性能要求驱动。

最终，掌握热处理在于理解如何使用受控的热循环来生产适合手头工作的精确微观结构。