本质上，最常见的热处理工艺包括退火、淬火、回火、表面硬化和沉淀硬化。每种工艺都涉及一个精心控制的加热和冷却循环，旨在有意地改变金属的内部结构，从而改变其物理和机械性能，如硬度、韧性或延展性，以满足特定的工程要求。
热处理并非单一操作，而是一套精确的冶金工具。其核心原理很简单：通过控制温度和冷却速率，您可以控制金属的微观晶体结构，进而决定其宏观性能。
目标：操纵金属的微观结构
要理解热处理，您必须首先了解所有金属都具有晶体内部结构，通常称为微观结构或晶粒结构。这些微观晶粒的大小、形状和成分决定了金属的性能。
温度的作用
加热金属提供热能。这种能量使晶格内的原子能够移动、重新排列，甚至相互溶解元素，从而改变晶粒结构。
冷却速率的关键作用
金属冷却的速度“锁定”了特定的微观结构。缓慢冷却使原子有时间沉降到柔软、稳定的状态。快速冷却，或称淬火，则使它们被困在高度应力、不稳定且非常坚硬的状态。
主要热处理工艺及其目的
每种工艺都由其独特的温度和冷却曲线定义，旨在实现特定结果。这些工艺可以根据其主要功能进行大致分类。
用于软化和增加延展性：退火
退火是一种使金属尽可能柔软和具有延展性的工艺。它包括将金属加热、在一定温度下保持，然后非常缓慢地冷却。
这种缓慢冷却可以消除内应力，细化晶粒结构，并提高均匀性。它通常用于使材料更容易加工或成形，或消除加工硬化的影响。退火常用于黑色金属和有色金属。
用于增加硬度：淬火与淬硬
淬硬主要适用于钢和其他碳含量充足的黑色合金。钢被加热到临界温度，其晶体结构发生变化，然后通过在水、油或空气等介质中淬火迅速冷却。
这种快速冷却将碳困在一种非常坚硬、脆性、针状的微观结构中，称为马氏体。所得零件极其坚硬且耐磨，但若没有后续工艺，则过于脆性，不适用于大多数应用。
用于增加韧性：回火
回火几乎总是在淬硬之后进行。淬硬的脆性零件被重新加热到低得多的温度，保持特定时间，然后冷却。
此过程可消除淬火引起的一些内应力，并使坚硬的马氏体结构略微转变。结果是硬度降低，但韧性显著且关键地增加，韧性是吸收冲击而不发生断裂的能力。
用于表面耐久性：表面硬化
表面硬化制造的零件具有两个不同的区域：一个极其坚硬、耐磨的外部表面（“表层”）和一个较软、较韧的内部核心。这非常适合齿轮和轴承等部件，它们必须抵抗表面磨损，同时也能承受冲击载荷。
一种常见的方法是渗碳，即在富碳气氛中加热低碳钢零件。碳扩散到表面，使得只有外层在随后的淬火过程中能够硬化。
用于有色合金：沉淀硬化
许多有色合金，如铝、镁和镍合金，不能像钢一样通过淬火硬化。相反，它们使用沉淀硬化（或时效硬化）。
该过程包括将合金加热以使合金元素溶解成固溶体，然后淬火以捕获这种状态，再在较低温度下“时效”。这种时效允许非常细小的颗粒（沉淀物）在晶粒结构内形成，这些颗粒作为变形的障碍，显著增加了材料的强度和硬度。
理解权衡
选择热处理工艺始终是平衡相互竞争的性能的问题。没有单一的工艺可以最大化所有理想特性。
硬度与韧性的困境
这是冶金学中最基本的权衡。当您增加金属的硬度时，几乎总是会降低其韧性，使其变得更脆。一个完全淬硬、未经回火的钢零件具有最大硬度，但会像玻璃一样破碎。回火是为了故意牺牲一些硬度以获得必要的韧性。
尺寸稳定性和变形
剧烈的加热和快速冷却循环，特别是淬火，会引入显著的内应力。这些应力可能导致零件翘曲、扭曲或尺寸变化，通常需要二次磨削或机加工操作才能达到最终公差。
工艺复杂性和成本
像退火这样的简单工艺相对便宜。像表面硬化或淬火-回火循环这样的多步骤工艺需要更复杂的设备、更严格的控制和更长的炉内时间，这会显著增加最终零件的成本。
为您的应用选择正确的工艺
您的选择必须由部件的主要性能要求驱动。
- 如果您的主要目标是使金属更容易加工或成形： 退火是您获得最柔软、最具延展性状态的工艺。
- 如果您的主要目标是部件（例如齿轮）的极端表面磨损，同时还必须吸收冲击： 表面硬化提供了必要的硬表层和韧性核心。
- 如果您的主要目标是需要保持锋利边缘并抵抗断裂的钢部件（例如刀具或工具）： 需要淬火和回火工艺来平衡硬度和韧性。
- 如果您的主要目标是在铝、钛或镍合金中实现高强度： 沉淀硬化是这些有色金属的标准方法。
最终，热处理将普通金属转化为针对特定任务而设计的高性能材料。
总结表：
| 工艺 | 主要目标 | 关键金属 | 主要结果 |
|---|---|---|---|
| 退火 | 软化，增加延展性 | 黑色金属和有色金属 | 消除应力，提高可加工性 |
| 淬火与淬硬 | 增加硬度 | 钢（黑色金属） | 形成坚硬、脆性的马氏体结构 |
| 回火 | 增加韧性 | 钢（黑色金属） | 降低淬硬后的脆性 |
| 表面硬化 | 形成硬表面/韧性核心 | 低碳钢 | 耐磨表层（例如通过渗碳） |
| 沉淀硬化 | 增加强度/硬度 | 铝、镍、镁合金 | 通过细小颗粒沉淀强化 |
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