热处理会改变哪些性能？为您的应用量身定制材料强度、硬度和韧性

从本质上讲，热处理系统地改变材料的内部微观结构，以实现所需的工程性能。通过精确控制加热和冷却循环，您可以改变金属的机械特性，包括其硬度、强度、延展性、韧性和耐磨性。此过程还可用于消除内应力或增强材料的电磁性能。

热处理不是单一过程，而是实现特定工程成果的工具包。其基本原则是管理强度和硬度与延展性和韧性之间的权衡，以根据材料的预期功能进行定制。

核心机械性能的转变

热处理的主要目的是操纵材料（最常见的是钢）的机械行为。每种性能都可以根据特定应用进行针对性修改。

硬度是材料抵抗表面压痕、刮擦和磨损的能力。

淬火（快速冷却）等工艺会产生非常坚硬但脆的微观结构。这是制造必须承受显著表面磨损的零件（如切削工具、齿轮和轴承）的基础。

强度衡量材料在不发生变形（屈服强度）或断裂（拉伸强度）的情况下承受施加载荷的能力。

硬化过程显著提高强度。这使得结构螺栓、车轴和支撑梁等部件能够承受更大的载荷，或设计成更小、更轻的型材。

延展性是衡量材料在不破裂的情况下变形、拉伸或弯曲的能力。

退火等涉及缓慢冷却的工艺使材料更软、更具延展性。这对于冲压、深拉伸或拉丝等制造过程至关重要，在这些过程中，材料必须在不开裂的情况下成形。

韧性是材料在受到冲击时吸收能量并抵抗断裂的能力。它与脆性相反。

虽然淬火使钢非常坚硬，但它也使其变得脆性并易于破碎。随后几乎总是进行称为回火的工艺，以降低这种脆性并恢复一定量的韧性，从而制造出更耐用、更可靠的最终零件。

并非所有的热处理都是为了使零件更硬。有时，目标是使其更稳定和可预测。

焊接、机械加工、铸造和冷成形等制造操作会将内应力锁定在材料结构中。

这些隐藏的应力可能导致零件随着时间的推移而翘曲，在使用过程中意外开裂，或在后续机械加工操作中变形。

低温热处理，称为应力消除或焊后热处理 (PWHT)，将材料加热到足以使其内部晶体结构松弛的程度。

此过程不会显著改变硬度或强度，但会消除内应力，从而产生尺寸稳定的组件，可安全地进行机械加工并在使用中可靠。

选择热处理工艺始终是平衡相互竞争的性能。理解这些折衷对于做出明智的决策至关重要。

热处理中最常见的权衡是硬度与韧性之间。

增加材料的硬度几乎总是会降低其韧性，使其更脆。锉刀非常坚硬以抵抗磨损，但如果弯曲就会折断。这就是回火工艺如此关键的原因——它牺牲少量硬度以恢复显著的韧性。

较硬的材料更难且更昂贵地进行机械加工。它会导致更快的刀具磨损并需要更慢的机械加工速度。

因此，复杂的机械加工操作通常在材料处于软态、退火状态时进行。零件只有在主要成形完成后才进行最终的硬化和回火循环。

虽然不那么常见，但热处理也可用于微调非机械性能，以满足专业应用。

对于某些合金，热处理可以影响金属晶粒的尺寸和取向。

这可用于优化电阻率或增强磁导率等磁性能，这对于电机、发电机和变压器的性能至关重要。

理想的热处理完全取决于组件的最终应用。

最终，理解这些性能变化使您能够不仅指定材料，而且指定完全适合其用途的材料状态。