在冶金学中，所有热处理都根据其从高温冷却的速度分为两大类。它们是缓慢冷却过程（如退火）和快速冷却过程（称为淬火）。第一类旨在通过允许金属内部结构形成稳定的低能态来制造柔软、具有延展性的材料。第二类则有意将结构冻结在不稳定的高能态中，以实现最大的硬度和强度。
核心原理很简单：定义处理的不是加热，而是冷却。缓慢冷却允许原子移动到稳定的软排列，而快速冷却则将它们困在受压的硬配置中。您在这两条路径之间的选择决定了金属最终的强度和延展性平衡。
基础：我们为什么要对金属进行热处理
热处理是控制金属加热和冷却以改变其性能的过程。它不是改变化学成分，而是重新排列内部晶体结构，即微观结构。
关键的第一步：奥氏体化
几乎所有钢的硬化和软化热处理都始于相同的步骤：将金属加热到奥氏体相。奥氏体是铁的一种特定晶体结构，可以溶解大量的碳。这会形成均匀的固溶体，为冷却过程中发生的转变奠定基础。
铁碳相图的作用
该图是钢热处理的路线图。它显示了在不同温度和碳浓度下哪些微观结构（如铁素体、珠光体或奥氏体）是稳定的。理解这张图是预测金属如何响应给定热循环的关键。
分类1：缓慢冷却（平衡）过程
这一类涉及将金属冷却得足够慢，使原子有时间扩散并重新排列成最稳定、低能的微观结构。这些过程有时被称为“平衡”处理，因为所得结构接近相图预测的缓慢冷却结果。
目标：软度、延展性和可加工性
缓慢冷却的主要目的是使金属尽可能柔软和具有延展性。这可以消除内部应力，提高可加工性，并为后续的成形操作（如弯曲或冲压）做好准备。
机制：扩散和相变
当奥氏体钢缓慢冷却时，碳原子有充足的时间从铁晶格中移出。这种受控扩散允许形成软的微观结构，如铁素体（纯铁）和珠光体（铁素体和碳化铁的层状结构）。
常见示例：退火和正火
退火是典型的缓慢冷却过程，包括在炉内冷却零件以产生最软的状态。正火则涉及在静止空气中以稍快的速度冷却零件，这可以细化晶粒结构，并产生略强但仍具有延展性的材料。
分类2：快速冷却（非平衡）过程
这一类涉及将金属冷却得如此之快，以至于原子没有时间重新排列成其优选的稳定状态。这是一个“非平衡”过程，因为它产生了一种不出现在标准相图上的微观结构。
目标：最大硬度和强度
快速冷却或淬火的唯一目的是显著提高钢的硬度和强度。这对于需要高耐磨性和承载能力的应用至关重要，例如齿轮、轴承和切削工具。
机制：捕获碳形成马氏体
在快速淬火（在水、油或空气中）过程中，溶解的碳原子被困在铁晶格中。它们没有时间扩散出去。这迫使结构转变为高度应变、针状的微观结构，称为马氏体。正是这种巨大的内部应变使马氏体异常坚硬和强韧，但也非常脆。
理解权衡
选择热处理从来都不是为了获得“最佳”性能；而是为了在特定应用中实现正确的平衡。
硬度与脆性困境
通过淬火形成马氏体可以产生极高的硬度，但代价是巨大的：脆性。完全硬化、淬火后的钢件通常过于脆，不适合实际使用，在冲击下可能会像玻璃一样碎裂。
为什么几乎总是需要回火
为了克服这种脆性，淬火后的零件几乎总是要进行二次热处理，称为回火。这包括将零件重新加热到较低的温度，从而缓解部分内部应力，并允许马氏体略微转变，在牺牲少量硬度的同时恢复关键的韧性和延展性。
合金元素的影响
形成马氏体所需的具体冷却速度取决于钢的合金含量。普通碳钢需要非常快速的淬火，而含有铬或钼等合金的钢（合金钢）可以通过慢得多的冷却速度进行硬化，甚至在空气中也可以。这被称为钢的淬透性。
为您的目标做出正确选择
您对热处理分类的选择完全取决于组件所需的最终性能。
- 如果您的主要重点是可加工性或可成形性：您需要像完全退火这样的缓慢冷却过程，以达到最软、最具延展性的状态。
- 如果您的主要重点是制造耐磨、高强度的零件：您必须使用快速冷却过程（淬火）来制造马氏体，然后立即进行回火以恢复韧性。
- 如果您的主要重点是细化晶粒结构和消除先前加工产生的应力：您应该使用正火过程，它能提供强度和延展性的良好平衡。
通过理解这两种基本的冷却路径，您可以直接控制材料的最终微观结构和性能。
总结表：
| 分类 | 目标 | 关键工艺 | 所得微观结构 |
|---|---|---|---|
| 缓慢冷却 | 软度、延展性、可加工性 | 退火、正火 | 铁素体、珠光体 |
| 快速冷却（淬火） | 最大硬度、强度 | 淬火（后跟回火） | 马氏体 |
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