本质上，五种最常见的热处理工艺是退火、正火、淬火、回火和表面硬化。每种工艺都涉及特定的、受控的加热和冷却循环，旨在改变金属的内部结构，从而改变其物理性能，如硬度、韧性和延展性，以适应所需的应用。
热处理并非旨在使金属普遍“更好”，而是通过精确设计其微观晶体结构（微观结构）来达到其功能所需的特定性能平衡。
核心原理：操纵微观结构
金属的性能由其内部晶体结构（称为微观结构）决定。热处理通过改变这种结构来发挥作用。
通过将金属加热到临界温度以上，您可以将其现有结构溶解成不同的、更均匀的相。冷却回来的速度决定了最终的微观结构，从而决定了其机械性能。
基础“整体”处理
这些工艺影响金属零件的整个横截面。
退火：为获得最大柔软度和延展性
退火是一种使金属尽可能柔软、具有延展性且易于加工的工艺。它通常用于消除先前加工产生的内应力、改善切削加工性或为金属的严重冷成形做准备。
该过程包括将金属加热到特定温度，保持一段时间，然后非常缓慢地冷却，通常在炉内进行。这种缓慢冷却使微观结构能够以最稳定、无应力的状态形成。
正火：为获得均匀性和强度
正火通常用于锻造或轧制等工艺后的钢材，以细化其晶粒结构并产生更均匀的机械性能。
与退火类似，金属被加热到特定温度。然而，随后将其从炉中取出并在静止空气中冷却。这种更快的冷却速度会产生比退火更细、更强的微观结构，从而在强度和延展性之间提供良好的平衡。
淬火：为获得最大硬度
当目标是使钢件尽可能坚硬和耐磨时，淬火是主要方法。
该过程包括将钢加热到高温，然后以极快的速度冷却。这种快速冷却，称为淬火，通过将炽热的零件浸入水、油或盐水等介质中进行。这会将微观结构“冻结”成一种非常坚硬但脆的马氏体状态。
回火：增加韧性
经过淬火的零件通常太脆而无法实际使用；剧烈撞击可能会导致其碎裂。回火是淬火后进行的二次处理，旨在降低这种脆性。
淬火后的零件被重新加热到低得多的温度并保持一定时间。此过程可消除内应力，并以少量硬度换取韧性的显著提高，韧性是指吸收冲击而不发生断裂的能力。
表面特定处理：表面硬化
有时，您需要一个表面非常坚硬、耐磨，但内部或“核心”更柔软、更坚韧的零件。这通过表面硬化来实现。
表面硬化如何工作
表面硬化是一组通过化学方式改变金属（通常是低碳钢）表面，使其具有更高硬度“表层”的工艺。这会产生一个复合零件，具有出色的表面耐久性和能够抵抗冲击和撞击的韧性核心。
一种常见的方法是渗碳，其中零件在富碳气氛中加热。碳原子扩散到表面，然后可以通过淬火进行硬化，而低碳核心不受影响并保持韧性。
理解权衡
热处理是平衡对立性能的游戏。理解这些权衡对于选择正确的工艺至关重要。
硬度与韧性的折衷
这是冶金学中最基本的权衡。随着金属硬度的增加，其韧性几乎总是会降低。完全淬火但未经回火的钢就像玻璃一样：极其坚硬但易碎。回火是故意协商这种权衡的行为。
变形和开裂的风险
热处理中涉及的快速温度变化，尤其是淬火，会产生巨大的内应力。如果控制不当，这种应力可能导致零件在处理过程中或处理后变形、扭曲甚至开裂。
过程控制至关重要
热处理零件的最终性能对所使用的确切温度、保温时间和冷却速率高度敏感。轻微的偏差可能会导致截然不同且不理想的结果。这就是为什么热处理被认为是一种高度熟练和精确的工业过程。
根据您的目标选择合适的处理方法
根据成品部件的主要要求进行选择。
- 如果您的主要目标是软化金属以便于加工或成形：选择退火以获得最大的应力消除和延展性。
- 如果您的主要目标是极致硬度和耐磨性（例如，用于切削工具或轴承表面）：使用淬火或，对于双性能零件，使用表面硬化。
- 如果您的主要目标是高强度和抗冲击性的平衡（例如，用于锤子或车轴）：所需的工艺是淬火，然后立即进行回火。
- 如果您的主要目标是细化锻造或轧制零件的结构和强度：选择正火以创建均匀可靠的结果。
通过理解这些核心工艺，您可以开始为任何工程挑战指定所需的精确材料性能。
总结表：
| 工艺 | 主要目标 | 关键特点 |
|---|---|---|
| 退火 | 最大化柔软度和延展性 | 炉内缓慢冷却 |
| 正火 | 细化晶粒结构和均匀性 | 空气冷却 |
| 淬火 | 获得最大硬度 | 快速冷却（淬火） |
| 回火 | 淬火后增加韧性 | 低温再加热 |
| 表面硬化 | 创建坚硬表面和韧性核心 | 化学表面改性 |
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