从本质上讲，热处理是一组工业过程，用于有意地改变材料的物理（有时是化学）性能。主要过程可大致分为四种主要类型：退火，使材料软化；淬火，增加其强度；回火，降低淬火后的脆性；以及表面硬化，仅硬化表面。这些过程通过控制加热和冷却来操纵材料的内部微观结构，从而达到其效果。
所选择的特定热处理类型并非随意；它是一个精确的工程决策，旨在解决一个基本的权衡问题。每个过程都针对硬度、韧性和延展性等性能之间的特定平衡，以满足最终应用的需求。
目标：设计材料的微观结构
热处理不仅仅是让金属变热或变冷。它是一个高度受控的冶金过程，旨在改变材料的内部晶体结构，即其微观结构。
将金属的微观结构视为其内部架构。通过精确施加和移除热能，您可以重新排列这种架构，从而从同一块金属中产生完全不同的性能特征。
热处理的四大支柱
虽然有许多具体的配方，但几乎所有的热处理过程都属于四种基本类别之一，每种类别都有一个明确的目标。
1. 退火：软化和消除应力
退火的主要目标是使金属更软、更具延展性，更容易加工或成形。它还有助于消除在锻造或铸造等先前制造步骤中可能产生的内部应力。
该过程包括将材料加热到特定温度，保持一段时间，然后使其非常缓慢地冷却。这种缓慢冷却允许内部晶体结构以均匀、低应力的状态重新形成。
2. 淬火：提高强度
淬火用于提高金属的强度、耐磨性和保持锋利边缘的能力。它是使工具、轴承和齿轮耐用的过程。
这是通过将材料加热到其晶体结构发生变化的临界温度，然后快速冷却来实现的。这种快速冷却，称为淬火，将坚硬但脆的微观结构固定到位。常见的淬火介质包括水、油或空气。
3. 回火：降低脆性
经过淬火的材料通常过于脆，不适合实际使用；它可能会在冲击下破碎。回火是淬火后进行的二次处理，旨在恢复一些韧性。
零件被重新加热到较低的温度，保持特定时间，然后冷却。这个过程策略性地牺牲少量硬度，以显著提高韧性，从而消除淬火过程中产生的内部应力。
4. 表面硬化：用于双重性能组件
表面硬化，或称表层硬化，可制造出具有两种不同性能的组件：一个极硬、耐磨的外表面（“表层”）和一个较软、更坚韧、更具延展性的内芯。
这非常适用于齿轮等零件，它们需要抵抗表面磨损，同时还能承受冲击而不会开裂。这通常通过在高温下将碳（渗碳）或氮（渗氮）等元素扩散到钢的表面来实现。
理解固有的权衡
选择热处理工艺需要理解其中涉及的折衷。您总是在平衡一种性能与另一种性能。
硬度与韧性的困境
冶金学中最基本的权衡是硬度与韧性之间。
增加材料的硬度几乎总是使其变得更脆（韧性更差）。回火是解决这种折衷的主要方法，它允许工程师为应用需求调整精确的平衡。
变形和开裂的风险
淬火所需的快速冷却会产生显著的内部应力。如果过程控制不当，这可能导致零件翘曲、变形甚至开裂。
必须管理零件的几何形状、钢的类型和淬火速率等因素，以防止这些缺陷。
气氛控制的关键作用
许多热处理过程在具有受控气氛的炉中进行。这并非事后才考虑的；它对于过程的完整性至关重要。
不受控的气氛可能导致氧化（结垢）或表面碳损失（脱碳），这两者都会损害组件的最终性能。使用专门的气体混合物来保护材料并确保发生所需的化学反应。
为您的目标做出正确选择
您选择热处理工艺应由最终零件的主要性能要求驱动。
- 如果您的主要重点是最大可加工性和可成形性：选择完全退火工艺，以创建最软、最均匀的材料状态。
- 如果您的主要重点是最大耐磨性和强度：选择淬火工艺，然后进行低温回火以消除应力，而不会牺牲显著的硬度。
- 如果您的主要重点是抗冲击性和耐用性：选择淬火，然后进行高温回火，以牺牲更多硬度来显著提高韧性。
- 如果您的主要重点是耐磨表面和抗冲击芯：选择表面硬化工艺，如渗碳或渗氮。
最终，热处理将简单的材料转化为为特定目的而设计的高性能组件。
总结表：
| 工艺 | 主要目标 | 主要特点 |
|---|---|---|
| 退火 | 软化材料，消除应力 | 加热后缓慢冷却；提高延展性和可加工性 |
| 淬火 | 提高强度和耐磨性 | 加热后快速淬火；形成坚硬、脆性的结构 |
| 回火 | 降低淬火后的脆性 | 重新加热到较低温度；提高韧性 |
| 表面硬化 | 硬化表面同时保持芯部韧性 | 将元素（例如碳）扩散到表面；适用于齿轮和轴承 |
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