退火的类型有哪些？为金属的性能选择正确的工艺

主要的退火类型包括完全退火、再结晶退火（过程退火）、球化退火和应力消除退火。虽然这些是不同的工业过程，但它们都基于材料恢复、再结晶和晶粒长大等基本原理，以改变金属的内部结构并实现特定的性能，如提高柔软度或可加工性。

“退火”一词指的不是单一的程序，而是一系列热处理工艺。您选择的具体退火类型完全取决于起始材料和所需的最终机械性能，例如最大柔软度、改善的可加工性或仅仅是消除内部应力。

退火的基本目的

在研究不同类型之前，了解退火解决了什么问题至关重要。它是一种热处理工艺，通过改变材料的微观结构来改变其机械或电气性能。

为可加工性而软化

当金属在低温下发生塑性变形（称为冷加工或加工硬化）时，它会变得越来越硬、越来越强、越来越脆。

退火通过降低硬度并增加延展性来逆转这种影响，使材料足够柔软，以便进行进一步的成形、拉拔或塑形操作。

消除内部应力

焊接、铸造或重型机械加工等过程会在材料内部引入显著的内部应力。这些残余应力可能导致尺寸不稳定、过早失效或开裂。

退火为这些内部应力提供了一个松弛的途径，从而产生更稳定、更可靠的部件。

改善可加工性

有些材料，特别是高碳钢，在硬化状态下难以切割或加工。

特定的退火周期可以改变微观结构，使材料更容易加工，从而显著减少刀具磨损并改善表面光洁度。

退火的工作原理：三个阶段

所有退火过程都受材料温度升高时发生的三个连续阶段的控制。退火的类型取决于您允许这些阶段进行到何种程度。

阶段 1：恢复

在较低温度下，材料发生恢复。在此阶段，晶格内的内部应力得到释放。材料的强度没有明显变化，但延展性和导电性会得到一定程度的恢复。

阶段 2：再结晶

当温度升高到再结晶温度时，新的、无应变的晶粒开始形成和长大。这些新晶粒取代了在加工硬化过程中产生的旧的、变形的晶粒。

这是恢复材料柔软度和延展性最关键的阶段，因为它有效地重置了微观结构。

阶段 3：晶粒长大

如果材料在再结晶温度或以上保持时间过长，新形成的晶粒将开始合并并长大。

虽然这可以进一步增加柔软度，但过度的晶粒长大有时会对韧性等其他性能产生不利影响。控制这一阶段是实现所需最终性能的关键。

关键的退火工艺类型

每种工艺通过仔细控制温度、保温时间和冷却速率来控制上述三个阶段。

完全退火

此过程涉及将钢加热到略高于其上临界温度的温度，然后非常缓慢地冷却，通常是通过将其留在炉内自然冷却。

目标是产生粗大的晶粒结构，从而实现最大的柔软度、延展性和可加工性。它允许所有三个阶段，包括显著的晶粒长大，发生。

再结晶退火（过程退火）

也称为中间退火，它在成形操作之间对经过加工硬化的部件进行。材料被加热到略低于其下临界温度的温度。

该温度足以引起恢复和再结晶，但不足以从根本上改变材料的相。其唯一目的是恢复足够的延展性，以便进行进一步的冷加工。

球化退火

该工艺主要用于高碳钢，涉及将材料在略低于其下临界温度的温度下长时间（通常是数小时）保持。

这不仅仅是使晶粒再结晶；它会使钢内硬质碳化物结构转变为球形或球状。这种微观结构为这些硬质材料提供了最佳的可加工性。

应力消除退火

这是一种低温工艺，旨在仅实现恢复阶段。材料被加热到远低于其临界点的温度，保持足够长的时间以释放应力，然后缓慢冷却。

主要目标是在不显著降低材料硬度或强度的情况下，消除焊接、加工或铸造产生的内部应力。

理解权衡

选择退火工艺需要平衡相互竞争的优先事项。它不是一刀切的解决方案。

延展性与强度

退火的核心权衡很简单：当您增加延展性和柔软度时，您几乎总是会降低硬度和强度。完全退火的部件将非常容易成形，但与经过加工硬化或热处理的状态相比，其屈服强度会较低。

时间和成本

完全退火需要非常缓慢的冷却速率，通常意味着炉子需要占用一整班或更长时间。这使其成为一个缓慢且能源密集型的过程。

相比之下，再结晶退火或应力消除循环要短得多，因此成本较低，因为它们不需要同样缓慢、受控的冷却。

过度退火的风险

加热时间过长或温度过高可能导致晶粒过度长大。虽然这会使材料非常柔软，但过大的晶粒可能会对断裂韧性和疲劳寿命等性能产生负面影响，使最终部件的耐用性降低。

根据您的目标做出正确的选择

您的最终目标决定了正确的工艺。

如果您的主要重点是使钢部件达到最大的柔软度和可成形性： 使用完全退火来产生最具有延展性和均匀的微观结构。
如果您的主要重点是恢复经过加工硬化的部件的延展性，以便进行更多的冷加工： 使用再结晶退火作为快速有效的中间步骤。
如果您的主要重点是提高高碳钢的可加工性： 使用球化退火来为切削操作创造理想的微观结构。
如果您的主要重点是仅消除焊接或加工产生的内部应力而不损失强度： 使用应力消除退火作为低温、有针对性的解决方案。

最终，选择正确的退火工艺需要清楚地了解您的材料特性和最终的工程目标。

总结表：

退火类型	主要目标	关键温度范围	理想用途
完全退火	最大柔软度和延展性	高于上临界温度	最终软化以实现可成形性
再结晶退火	恢复延展性以进行进一步冷加工	低于下临界温度	成形操作之间的中间步骤
球化退火	改善高碳钢的可加工性	略低于下临界温度	加工前的高碳钢
应力消除退火	消除内部应力而不软化	远低于临界温度	焊接、加工或铸造后