尽管大多数人并不了解热处理，但它却是制造过程中至关重要的一步。这是因为热处理能够增强金属材料的强度，使其更耐磨损。为了使金属或合金硬化，热处理包括将其加热到特定温度，然后再冷却。
飞机、汽车、锯子和斧头等五金制品、计算机、航天器、军事以及石油和天然气行业都是热处理技术应用广泛的领域。在制造过程的各个阶段，通过热处理可以改变金属或合金的特性。
经过热处理的金属合金能够获得所需的机械性能。热处理的温度和时间对发生的相变影响很大。为了制造出具有所需品质的高质量零件和组件，需要精确控制温度和时间。
所以，你认为没有必要了解四种火热处理工艺的具体流程以及它们如何影响材料的性能？当然有必要。让我们详细探讨一下。
四火热处理工艺的原理是什么？
所有热处理程序都包括将金属置于特定的时间-温度循环中，该循环可分为以下三个步骤：
- 加热，
- 保持该温度（浸泡），
- 和冷却。
尽管具体情况各不相同，但仍有一些基本目标可以概括。除非钢材承受了显著的应力，例如经过强烈的冷加工或预先淬火，否则加热速度并不特别重要。在这种情况下，加热速度应该缓慢。然而，这通常难以实现，因为炉子可能已经达到了工作温度。但是，将冷钢放入高温炉中可能会导致变形甚至断裂。
钢材的组织和性能取决于其冷却速度，而冷却速度又受质量、淬火介质等因素的影响。需要注意的是，无论采用何种冷却方法，截面越厚，冷却速度越慢。
退火
退火是一种加热和冷却过程，通常会导致材料软化。这种处理方法也涵盖旨在改变材料机械或物理特性、形成特定微观结构或去除气体的工艺。被退火材料的特性和处理的预期用途决定了操作温度和冷却速率。退火是指将试样加热到高于或低于上临界温度线。退火过程包含三个主要阶段。
- 复苏。
- 重结晶
- 晶粒生长
了解这三个阶段如何影响退火过程以及材料性能在这些步骤中如何变化，对您来说很有价值。
恢复阶段
在恢复阶段，将材料放入炉子或其他加热设备中加热到足以释放其内部应力的温度。
重结晶阶段
在重结晶阶段，材料被加热到高于重结晶温度但低于熔点的温度。这导致形成没有预先应力的新晶粒。
谷物生长阶段
新晶粒在晶粒生长过程中完全成熟。以特定速率冷却材料可以控制其生长。这三个步骤共同作用，可使材料具有更高的延展性和更低的硬度。根据加热温度和冷却速率的不同，退火工艺可分为以下几种类型。
- 全退火
- 工艺退火
- 球化
正火
正火处理是将钢材加热到高于Ac3或Acm的温度，然后在常温空气中冷却。该处理的主要目的是消除先前热处理的影响，包括高温锻造偶尔导致的粗晶组织以及冷加工的影响，并确保在重新加热进行淬火或完全退火时，奥氏体组织均匀。根据钢材成分的不同，最终形成的组织为珠光体或珠光体中含有额外的铁素体或渗碳体。
淬火
淬火基本上是用来提高材料硬度到特定水平以上的。
材料被加热到高于上临界温度线Ac3或Acm，然后迅速冷却。冷却介质可以是空气、油、水或其他介质。为了提高硬度，这种称为淬火的快速冷却工艺通常用于不锈钢和高合金钢。对于铸铁和添加了镍、镁等金属的合金钢，则经常采用淬火工艺。
回火
回火是一种热处理技术，可以提高硬脆钢的韧性，使其在加工过程中不易断裂。淬火后需进行回火处理。未经回火处理的淬火金属通常过于脆硬，无法继续使用。回火过程是将金属均匀加热至90 至 260 ° C，并在该温度下保持所需时间，然后根据所用合金缓慢冷却。
四种火灾处理方法
四火热处理是一种通过控制微观组织内部扩散速率来改变金属特性的熟练方法。这意味着同一种合金会根据冷却速率的不同而形成不同的微观组织。当奥氏体快速冷却时，它会转变为马氏体，一种硬而脆的晶体结构，其中合金元素被束缚。这种结构需要回火处理以析出金属间化合物颗粒，从而达到最高的强度和硬度。
但是，这四种火热处理工艺是如何进行的？材料在处理过程中性能会发生怎样的变化？让我们来深入了解一下。
退火：
退火工艺是将金属在炉内加热至高于其重结晶温度，然后使其在炉内冷却。首先，将材料加热到较高温度（例如，铸铁或钢的加热温度为 912–915°C）。随后，将材料在该温度下保温一段时间。第三步，在炉内冷却的同时降低温度。退火工艺可以提高材料的强度、延展性和延伸率。
标准化：
与退火类似，但经过保温阶段后，材料从炉中取出，在空气中自然冷却。由于材料冷却区域明显不同，其性能略逊于退火工艺。
淬火：
淬火是将加热到重结晶温度以上的材料在油浴或水浴中快速冷却的过程。淬火后的材料呈现马氏体基体结构。这种材料硬度更高，脆性更大，耐磨性和抗冲击性也更强。其耐磨性更好，但抗蠕变和冲击应力的能力较弱。
回火：
这是一种通常在淬火后进行的热处理工艺。该工艺将材料加热到低于再结晶温度的程度，并保持一段时间。通过此工艺，可以降低内应力，并略微提高硬质材料的延展性。该工艺通常应用于工具钢。
可以通过热处理技术使某种合金在室温下获得必要的机械性能，但这需要了解金属合金内部发生的相变。
四种火处理方法的区别
完全退火用于软化先前经过应变硬化的材料，并去除最终的室温微观结构。这样做通常是为了便于后续的变形加工或机械加工。整个退火过程包括将工件加热到合适的温度，然后在炉内逐步冷却，使其在转变温度范围内变化。
虽然正火与退火类似，但正火在保温阶段结束后，材料会被从炉中取出，并在空气中自然冷却。由于材料冷却区域明显不同，其性能略逊于退火。
淬火是为了获得马氏体或贝氏体组织所带来的淬透性；这些组织需要从奥氏体快速冷却以防止珠光体的形成。因此，材料需要从奥氏体化温度快速冷却到500℃以下，以防止珠光体的生成。
“回火处理”是指钢材在淬火、硬化或正火后，浸入低于临界温度的水中一段时间，然后以特定速度冷却的过程。回火的目的是为了获得所需的强度、硬度和韧性组合，或消除完全硬化钢材的应力或脆性。回火和淬火是制造高强度零件的必要工序。
相变
热处理过程中，原子层面会发生许多变化，从而导致相变。了解热处理过程中会发生哪些相变以及性能如何变化至关重要。
虽然需要将亚共析钢热处理至略高于AC3的温度才能彻底退火，但通常情况下，材料在退火温度下保持约一小时，然后在炉内缓慢冷却。最终形成铁素体-珠光体组织。
对于过共析材料，在AC1温度以上进行退火处理。退火后的组织由粗大的层状珠光体和被先析渗碳体包围的组织构成。退火不仅可以改善材料的晶粒结构，还能使其软化，从而提高其电学和磁学性能，有时还能改善其可加工性。
正火处理产生的细小等轴奥氏体晶粒尺寸和随后产生的粗大珠光体微观组织更容易加工或热处理，并能提高韧性。
淬火可获得最高的硬度。这是由于奥氏体中大量马氏体转变所致，正如显微组织所示。通常，淬火后进行回火处理会导致硬度降低，韧性提高。
在正火过程中，显微组织发生变化，首先变为奥氏体，然后在随后的空冷阶段变为淬火马氏体。在回火过程中，淬火马氏体转变为回火马氏体。
热处理后的显微组织：（a）珠光体；（b）贝氏体；（c）球化
（d）回火马氏体 （e）马氏体
材料特性
经过热处理的金属合金能够获得所需的机械性能。热处理的温度和时间对发生的相变影响很大。为了制造出具有所需品质的高质量零件和组件，需要精确控制温度和时间。
如果没有对金属（尤其是钢材）进行热处理，从电脑到飞机等各种产品的金属部件将无法正常工作，甚至可能根本无法存在。特别是对于有色金属部件而言，其耐用性将显著降低。热处理是一种能够强化青铜、黄铜、钛合金和铝等金属的工艺。
另一个关键的工艺参数是高温热处理后的冷却速率。缓慢冷却会形成韧性好、延展性佳的珠光体组织。而淬火后回火马氏体组织则会导致强度高、韧性低的马氏体组织，从而难以获得兼具高强度和高韧性的钢材。
当退火温度升高时，变形的微观结构中会发生回复和再结晶机制。合金的抗拉强度和屈服强度会降低，但延伸率会增加。退火可以软化材料，使其更易于加工。此外，退火还能细化晶粒、调整组织结构并消除缺陷。
消除残余张力，稳定尺寸，并降低变形和裂纹的发生概率。材料结构和成分的均匀性提高了材料在后续热处理中的性能。此外，硬度、屈服强度(YS) 和极限抗拉强度 (UTS) 均随正火处理而增加，随回火处理而降低。
但是，通过回火可以精确地平衡金属的机械性能，如剪切强度、屈服强度、硬度、延展性和抗拉强度，从而获得任意数量的不同性能组合，使钢材可用于广泛的应用。
为了满足各种机械部件和工具的诸多需求，淬火可以显著提高钢材的刚度、硬度、耐磨性、疲劳强度和韧性。此外，淬火还可以赋予钢材其他独特的物理和化学特性，例如某些特殊钢材的铁磁性和耐腐蚀性。
四火所用材料
热处理可用于所有金属和合金。据估计，钢铁是约80%工业热处理工艺的基础，尽管许多其他黑色金属和有色金属也出于相关目的进行加热和冷却。一些经热处理的有色金属包括铝、铜、黄铜和钛，而经热处理的黑色金属则通常包括铸铁、合金、不锈钢和工具钢。
铝合金可进行退火或固溶处理、淬火和时效硬化处理。铜、黄铜和青铜合金也通过退火和时效硬化进行热处理。钢可通过时效硬化、时效淬火和退火进行热处理。
马氏体不锈钢常用于对强度、硬度和耐磨性要求较高的工业应用中。此类钢的性能受回火工艺的显著影响。用于热处理工艺的不锈钢可分为以下三类。
第一组：可硬化铬钢（马氏体和磁性）。
与大多数低合金钢类似，这些钢材对热处理敏感，通过适当的热处理可以获得多种不同的机械性能。但由于回火温度范围在700°F 至 1000°F 之间会增加脆性，因此应避免在该温度范围内进行回火处理。
第二组——不可淬火的铬钢（铁素体和磁性）
热处理并不能真正提高这些钢材的硬度。在退火状态下，它们的柔软度、延展性和耐腐蚀性都达到了最佳水平。
第三类不可淬硬钢：由铬、镍和锰制成的钢（奥氏体且无磁性）
这些钢材本质上不具磁性，因此无法通过热处理来提高硬度。通过冷加工可以改善其多种机械性能，有些钢材在经过充分冷加工后甚至可能产生轻微磁性。为了获得最佳的柔软度、延展性和耐腐蚀性，需要通过快速冷却（空气或水）的方式，从高温下进行退火处理。
工业应用
四道防火处理工艺在工业应用中的价值何在？其基本应用是什么？
在包括汽车、运输、航空航天、建筑、船舶、军事、物料搬运（铸造、锻造、设备）以及医疗和制药等在内的许多大型制造业中，热处理是一项至关重要的技术。热处理的显著优势包括降低成本、重量和噪音，以及提高强度、可靠性、韧性、性能和耐磨性及抗疲劳性。
因此，热处理被用于制备动力传动系统、发动机、涡轮机、农用设备、矿山设备、林业设备和建筑设备的金属部件。例如，为了在航空航天工业中达到所需的性能，钢和铝合金可能需要经过五道或更多道不同的热处理工序。
照片由Philipp Potocnik在Unsplash上拍摄
型材、轴、圆盘、齿轮、板材及其他形状是常见的金属热处理工件。改进热处理工艺以消除材料问题对相关行业具有极其重要的意义和价值，也是学术界和科研人员的一项重要任务。
底线
预先对金属进行热处理可以减少腐蚀，这意味着以后无需频繁更换昂贵的金属部件。热处理后的金属通常比未经热处理的金属强度更高。因此，可以避免各种问题，并使设备运行更高效、更经济。
热处理过程包括淬火、回火、正火和退火四个阶段。通过在整个热处理过程中平衡硬质马氏体、韧性铁素体和珠光体的比例，可以保证材料的强度和延展性。
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