尽管这个问题通常被简化为两种对立的工艺，但热处理实际上是冶金学中一个涉及多种技术的广泛领域。两个最基本和最对比的目标是使金属软化，主要通过退火实现；以及使其硬化，通过淬火和回火的两步过程实现。这些程序不仅仅是改变金属的性能；它们从根本上重新排列其内部微观结构，以达到特定的机械性能。
热处理不是关于少数几个配方；它是对金属热循环——其加热、保持和冷却阶段——进行有意的控制，以精确地控制其内部晶体结构。理解这一原理可以让你根据几乎任何工程应用来定制材料的性能。
基本目标：控制金属的微观结构
要理解热处理，你必须超越熔炉，看到微观层面正在发生什么。
什么是热处理？
热处理是一组受控的工艺，用于改变材料的物理特性，有时也改变化学特性。该过程涉及将金属加热到特定温度，在该温度下保持设定的时间（浸泡），然后以规定的速率冷却。
目标是改变硬度、强度、韧性、延展性和耐磨性等性能，而不会改变零件的形状。
热如何改变金属
加热金属会重新排列其内部晶格，即其微观结构。对于钢材，将其加热到临界温度以上会将其结构转变为称为奥氏体的状态，其中原子排列是均匀的，并且能够溶解碳。
金属的最终性能完全取决于这种奥氏体结构在冷却过程中发生了什么。冷却速率是最关键的变量。
两个主要目标：软化与硬化
几乎所有的热处理工艺都可以根据其主要目标进行分类：使金属更软、更易成形，或使其更硬、更耐用。
类别 1：为提高延展性和可加工性而软化
有时，目标是使金属尽可能柔软。这可以消除内部应力，提高延展性（拉伸或成形的能力），并使材料更容易加工。
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关键工艺：退火 退火涉及将钢加热到奥氏体范围，然后非常缓慢地冷却，通常是通过让其在炉内过夜冷却。这种缓慢冷却允许微观结构形成其最柔软、最稳定和无应力的状态。
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一种变体：正火 正火类似于退火，但冷却速度更快，通常在静止空气中进行。这会产生更细、更均匀的晶粒结构。正火后的零件比退火后的零件稍硬、稍强，但比完全硬化的零件韧性更好，脆性更小。
类别 2：为提高强度和耐磨性而硬化
这是更广为人知的目标，用于制造能够承受高应力和磨损的工具、轴承和齿轮。这始终是一个多步骤的过程。
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关键工艺：淬火 为了达到最大的硬度，钢被加热形成奥氏体，然后极快地冷却。这是通过将其浸入水、油甚至强制空气等淬火介质中来实现的。
这种快速冷却，即淬火，将原子结构锁定在一种非常坚硬、易碎且应力很大的状态，称为马氏体。仅淬火的零件通常太脆而无法实际使用。
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必要的后续步骤：回火 淬火后的零件几乎总是要进行回火。这涉及将硬化后的零件重新加热到低得多的温度（例如 200-650°C 或 400-1200°F）并保持一段时间。
回火会降低马氏体的极端硬度和脆性，消除内部应力，并显着提高材料的韧性。硬度和韧性的最终平衡是通过回火温度精确控制的。
理解权衡
选择热处理工艺是管理工程权衡的实践。你不能同时最大化所有性能。
硬度与韧性的困境
这是热处理中最关键的权衡。硬度是抵抗划伤和压痕的能力，而韧性是吸收能量和抵抗断裂的能力。
当你增加金属的硬度时，你几乎总是会降低其韧性，使其更脆。回火是故意牺牲一部分硬度以恢复基本韧性的行为。
冷却速率的作用
冷却速率决定了最终的微观结构。非常缓慢的冷却（退火）产生柔软的结构。非常快速的冷却（淬火）产生坚硬的结构。中间的冷却速率（正火）产生介于两者之间的性能。
变形和开裂的风险
快速冷却是一个剧烈的过程，会引起巨大的内部应力。如果管理不当，这种应力会导致零件在淬火过程中翘曲、变形甚至开裂。淬火介质的选择（水比油更剧烈）和零件的几何形状是关键因素。
根据目标选择正确的工艺
你的选择必须由组件的最终应用驱动。
- 如果你的主要重点是准备材料进行重型加工或冲压：退火是实现最大柔软度和消除内部应力的正确选择。
- 如果你的主要重点是为工具或轴承实现最大的硬度和耐磨性：淬火后进行回火是必需的两步过程。
- 如果你的主要重点是在锻造后细化晶粒结构并确保性能均匀：正火提供了强度和延展性的良好平衡。
- 如果你的主要重点是在坚韧、抗冲击的部件上形成耐磨表面：渗碳或感应淬火等表面硬化工艺是理想的选择。
通过理解这些核心原理，你可以超越简单的定义，开始有目的、精确地指定材料性能。
总结表：
| 工艺 | 主要目标 | 关键步骤 | 典型结果 |
|---|---|---|---|
| 退火 | 软化金属 | 加热至奥氏体，缓慢冷却 | 提高延展性，减少应力，改善可加工性 |
| 淬火和回火 | 硬化金属 | 加热至奥氏体，快速淬火，然后回火 | 高硬度和强度，具有受控的韧性 |
| 正火 | 细化晶粒结构 | 加热至奥氏体，在空气中冷却 | 性能均匀，强度和延展性平衡 |
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