金属热处理工艺

热处理是一种过控制加热速度、保温时间、冷却速度改变金属内部的显微组织 ，从而调整材料的力学性能的工艺。整个过程可以分为三步。首先，在加热阶段，关键是根据金属材质和形状等控制好加热方式，并注意金属在加热过程中的化学反应等，因此必须为金属材料提高稳定、可靠的加热环境。其次，进入保温阶段后，需要按照工艺要求设置保温时间和温度，并保持温度稳定，确保金属内部组织均匀转变。最后是冷却阶段，要根据不同金属材料的特性，选择适当的冷却方式和时间，从而保证材料的最终性能。

热处理步骤示意图

热处理是一种改善金属性能的常用方法，根据处理方式和目的的不同，主要可以分为三大类：整体热处理、表面热处理、化学热处理。

整体热处理：是对工件整体进行加热和冷却，从而改变其内部组织与性能，主要包括退火工艺、正火工艺、淬火工艺、回火工艺。 

表面处理：只对工件表层进行加热处理，常见的方式有火焰淬火金和感应加热热处理（高周波淬火）。

高周波淬火工件硬度测试示意图（工件表面带黑皮）

化学热处理：通过改变工件表层的化学成分来提升性能，比如渗碳、渗氮、碳氮共渗。

渗碳处理工件硬度测试示意图

接下来，我们重点介绍整体热处理中所涉及的几种工艺。

退火是将金属材料加热到相变点附近或以下，保温足够时间后,再以较慢的速度进行冷却，例如随炉冷却、埋入砂中冷。这种工艺能有效消除工件内部的应力，防止其在后续加工或使用过程中发生形变或开裂。

与退火类似，正火也是一种常见的热处理工艺，它需要将金属加热到相变点以上，保温一段时间使其组织充分奥氏体化，之后在空气中自然冷却。正火有助于细化晶粒、均匀组织，从而在不降低材料硬度的情况下，提高其韧性及其抗疲劳性能，使材料综合力学性能得到改善。

退火和正火都属于热处理中的“软化类“工艺，但正火的冷却速度通常比退火更快。

另一方面，淬火工艺则是将金属加热到相变点以上，保温形成均匀奥氏体后，在水、油等介质中快速冷却。淬火能显著提升材料硬度和强度，但是也容易导致内应力增大和材料变脆。因此，淬火后常常需配合回火处理。

回火是指将淬火后的工件重新加热到AC1点以下，保温一定时间后再空冷至室温。这一工艺能有效消除淬火带来的内应力，提高材料韧性和使用安全性。

淬火与回火属于热处理中的“硬化类“工艺。淬火和回火是密不可分的组合，淬火实现材料硬化，回火则调整性能、降低脆性。

热处理是调控金属材料性能的关键技术，主要影响材料的组织演变、力学性能以及残余应力。下面我们来具体看看这几方面是如何变化的。

首先，热处理会显著改变材料的内部组织，主要体现在三个方面：晶粒尺寸、相组成和析出相。

晶粒尺寸：细小而均匀的晶粒能同时提高材料的强度和韧性，相反，粗大的晶粒则容易导致性能下降。

相组成：不同相的分布和比例，直接影响材料的硬度、强度和韧性。

析出相：这些微小的第二相粒子，其形态和分布对材料的强度和耐磨性具有重要影响。

其次，通过调控上述组织特征，热处理能够优化材料的力学性能：

硬度：反映材料抵抗局部变形的能力，常通过淬火回火工艺进行调控。

强度：材料抵抗断裂的能力，可借助细晶强化、固溶强化和析出强化等机制进行调控。

韧性：材料吸收能量并防止断裂的能力，通常通过细化晶粒和调整相组成来改善。

此外，热处理过程中由于表面和心部有温差，还会产生残余应力。若控制不当，这类应力可能影响零件的尺寸稳定性和使用寿命。

综上，热处理通过精准控制组织变化，使材料在硬度、强度、韧性和应力状态之间达到理想平衡，从而满足不同应用场景对性能的需求。

深冷处理工件硬度测试示意图

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