工程材料/鋼的熱處理

熱處理是將固態金屬或合金在一定介質中加熱、保溫和冷卻，以改變材料整體或表面組織，從而獲得所需性能的工藝。

熱處理可大幅度地改善金屬材料的工藝性能和使用性能，絕大多數機械零件必須經過熱處理。

與鍛、鑄、焊切削等工藝方法不同，熱處理是改變工件內在性質的一種工藝，而工件的形狀和尺寸基本不變。

熱處理工藝一般包含加熱、保溫和冷卻三個過程，其中冷卻過程是鋼熱處理的關鍵。

冷卻過程是鋼的熱處理的關鍵部分，它對鋼在熱處理後的組織和性能起著極大的作用。採用不同的冷卻速度和冷卻方式，可以獲得不同的組織和性能。

T8鋼（碳素工具鋼的一種）小試樣，同時加熱到800°C奧氏體化，經保溫後，一塊從爐中取出立即放入水中冷卻，即淬火；另一塊隨爐冷卻，即退火。結果，T8 鋼經淬火後硬度高達64HRC，而退火後的硬度約為12HRC。

熱處理

退火

將組織偏離平衡狀態的鋼加熱到適當溫度，保溫一定時間，然後緩慢冷卻（一般為隨爐冷卻），以獲得接近平衡狀態組織的熱處理工藝叫做退火。

第一階段是回復（recovery）。在回復的過程中，晶體內部缺陷（例如空位）會移動回復到正常晶格位置，同時內部應力場也會跟著消失。在回復階段，先前的冷加工過的金屬其電、熱傳導等性質將回復成原來狀態。
第二階段是再結晶（recrystallization）。再結晶過程中，新的晶粒成型，當退火過程繼續進行中取代原本因內應力而變形的晶粒。
再結晶完成時，晶粒生長（grain growth）就會開始。晶粒生長過程中，小的晶粒會與大的晶粒合併，減少材料內部晶界的數目。晶粒生長的程度會嚴重影響到材料的機械性能。

將鋼材或鋼件加熱到Ac3(對於亞共析鋼)和Accm(對於過共析鋼)以上30 ℃～50 ℃, 保溫適當時間後, 在自由流動的空氣中均勻冷卻的熱處理稱為正火。

作為最終熱處理,正火可以細化晶粒，使組織均勻化，減少亞共析鋼中鐵素體含量，使珠光體含量增多並細化，從而提高鋼的強度、硬度和韌性。
作為預先熱處理，截面較大的合金結構鋼件，在淬火或調質處理（淬火加高溫回火）前常進行正火，以獲得細小而均勻的組織。對於過共析鋼可減少二次滲碳體量，並使其不形成連續網狀，為球化退火作組織準備。
改善切削加工性能

將鋼加熱到相變溫度以上（亞共析鋼為Ac3以上30 ℃～50 ℃；共析鋼和過共析鋼為Ac1以上30 ℃～50℃），保溫一定時間後快速冷卻以獲得馬氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。

淬火常用的冷卻介質是水和油。

淬火配以回火作為最終的熱處理。

淬火的目的是獲得馬氏體組織，為鋼的回火做好組織準備，然後再配以回火工藝，以改善或調整鋼的性能。

鋼件淬火後, 為了消除內應力並獲得所要求的組織和性能, 將其加熱到Ac1 以下某一溫度, 保溫一定時間, 然後冷卻到室溫的熱處理工藝叫做回火。

回火熱處理又分為，低溫回火、中溫回火和高溫回火。低溫回火的目的是降低淬火應力，提高工件韌性，保證淬火後的高硬度( 一般為58 HRC～64 HRC) 和高耐磨性。

主要用於處理各種高碳鋼工具、模具、滾動軸承以及滲碳和表面淬火的零件。

中溫回火獲得回火屈氏體，具有高的彈性極限和屈服強度，同時也具有一定的韌性，硬度一般為35 HRC～45 HRC，主要用於處理各類彈簧。

通常把淬火加高溫回火稱為調質處理。廣泛用於各種重要的機器結構件，是受交變載荷的零件，如連杆、軸、齒輪等。也可作為某些精密工件如量具、模具等的預先熱處理。