金屬材料熱處理將固態(tài)金屬放在一定的介質(zhì)中加熱到特定的溫度并保持一段時(shí)間后，再以不同的冷卻方式冷卻的工藝。熱處理與其他加工工藝（如鍛壓、鑄造、焊接、切削加工等）不同的是，它只改變金屬材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)或表面的化學(xué)成分，就可獲得所需要的使用性能，而不改變其形狀和大小及整體化學(xué)成分。鋼鐵是工業(yè)上應(yīng)用最廣的金屬，且其組織結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜，因而鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內(nèi)容。
熱處理在機(jī)械零件加工制造過(guò)程中的作用有兩個(gè)方面：①保證和提高工件的某些性能。②改善毛坯的組織和應(yīng)力狀態(tài)，以利于各種冷、熱加工。因此，熱處理可以是一個(gè)中間工序，如為改變鍛、鑄、軋毛坯組織而進(jìn)行的退火或正火，以及為消除應(yīng)力，降低零件硬度、改善切削加工性能而進(jìn)行的退火等；也可以是使加工零件性能達(dá)到規(guī)定技術(shù)指標(biāo)的最終工序，如經(jīng)過(guò)淬火加高溫回火，使零件獲得良好的綜合機(jī)械性能等。
淬火將金屬工件加熱到某一適當(dāng)溫度并保持一段時(shí)間，隨即浸入淬冷介質(zhì)中快速冷卻的金屬熱處理工藝。常用的淬冷介質(zhì)有鹽水、水、礦物油、空氣等。淬火可以提高金屬工件的硬度及耐磨性，因而廣泛用于各種工、模、量具及要求表面耐磨的零件（如齒輪、軋輥、滲碳零件等）。通過(guò)淬火與不同溫度的回火配合，可以大幅度提高金屬的強(qiáng)度、韌性及疲勞強(qiáng)度，并可獲得這些性能之間的配合（綜合機(jī)械性能）以滿足不同的使用要求。另外淬火還可使一些特殊性能的鋼獲得一定的物理化學(xué)性能，如淬火使永磁鋼增強(qiáng)其鐵磁性、不銹鋼提高其耐蝕性等。淬火工藝主要用于鋼件。常用的鋼在加熱到臨界溫度以上時(shí)，原有在室溫下的組織將全部或大部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。隨后將鋼浸入水或油中快速冷卻，奧氏體即轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。與鋼中其他組織相比，馬氏體硬度最高。鋼淬火的目的就是為了使它的組織全部或大部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，獲得高硬度，然后在適當(dāng)溫度下回火，使工件具有預(yù)期的性能。淬火時(shí)的快速冷卻會(huì)使工件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)其大到一定程度時(shí)工件便會(huì)發(fā)生扭曲變形甚至開(kāi)裂。為此必須選擇合適的冷卻方法。根據(jù)冷卻方法，淬火工藝分為單液淬火、雙介質(zhì)淬火、馬氏體分級(jí)淬火和貝氏體等溫淬火4類。
正火將工件加熱到適當(dāng)溫度，保溫一段時(shí)間后從爐中取出在空氣中冷卻的金屬熱處理工藝。正火與退火的不同點(diǎn)是正火冷卻速度比退火冷卻速度稍快，因而正火組織要比退火組織更細(xì)一些，其機(jī)械性能也有所提高。另外，正火爐外冷卻不占用設(shè)備，生產(chǎn)率較高，因此生產(chǎn)中盡可能采用正火來(lái)代替退火。正火的主要應(yīng)用范圍有：①用于低碳鋼，正火后硬度略高于退火，韌性也較好，可作為切削加工的預(yù)處理。②用于中碳鋼，可代替調(diào)質(zhì)處理作為最后熱處理，也可作為用感應(yīng)加熱方法進(jìn)行表面淬火前的預(yù)備處理。③用于工具鋼、軸承鋼、滲碳鋼等，可以消降或抑制網(wǎng)狀碳化物的形成，從而得到球化退火所需的良好組織。④用于鑄鋼件，可以細(xì)化鑄態(tài)組織，改善切削加工性能。⑤用于大型鍛件，可作為最后熱處理，從而避免淬火時(shí)較大的開(kāi)裂傾向。⑥用于球墨鑄鐵，使硬度、強(qiáng)度、耐磨性得到提高，如用于制造汽車、拖拉機(jī)、柴油機(jī)的曲軸、連桿等重要零件。
退火將工件加熱到預(yù)定溫度，保溫一定的時(shí)間后緩慢冷卻的金屬熱處理工藝。退火的目的在于：①改善或消除鋼鐵在鑄造、鍛壓、軋制和焊接過(guò)程中所造成的各種組織缺陷以及殘余應(yīng)力，防止工件變形、開(kāi)裂。②軟化工件以便進(jìn)行切削加工。③細(xì)化晶粒，改善組織以提高工件的機(jī)械性能。④為最終熱處理（淬火、回火）作好組織準(zhǔn)備。常用的退火工藝有：①完全退火。用以細(xì)化中、低碳鋼經(jīng)鑄造、鍛壓和焊接后出現(xiàn)的力學(xué)性能不佳的粗大過(guò)熱組織。將工件加熱到鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度以上30～50℃，保溫一段時(shí)間，然后隨爐緩慢冷卻，在冷卻過(guò)程中奧氏體再次發(fā)生轉(zhuǎn)變，即可使鋼的組織變細(xì)。②球化退火。用以降低工具鋼和軸承鋼鍛壓后的偏高硬度。將工件加熱到鋼開(kāi)始形成奧氏體的溫度以上20～40℃，保溫后緩慢冷卻，在冷卻過(guò)程中珠光體中的片層狀滲碳體變?yōu)榍驙?，從而降低了硬度。③等溫退火。用以降低某些鎳、鉻含量較高的合金結(jié)構(gòu)鋼的高硬度，以進(jìn)行切削加工。一般先以較快速度冷卻到奧氏體最不穩(wěn)定的溫度，保溫適當(dāng)時(shí)間，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橥惺象w或索氏體，硬度即可降低。④再結(jié)晶退火。用以消除金屬線材、薄板在冷拔、冷軋過(guò)程中的硬化現(xiàn)象（硬度升高、塑性下降）。加熱溫度一般為鋼開(kāi)始形成奧氏體的溫度以下50～150℃，只有這樣才能消除加工硬化效應(yīng)使金屬軟化。⑤石墨化退火。用以使含有大量滲碳體的鑄鐵變成塑性良好的可鍛鑄鐵。工藝操作是將鑄件加熱到950℃左右，保溫一定時(shí)間后適當(dāng)冷卻，使?jié)B碳體分解形成團(tuán)絮狀石墨。⑥擴(kuò)散退火。用以使合金鑄件化學(xué)成分均勻化，提高其使用性能。方法是在不發(fā)生熔化的前提下，將鑄件加熱到盡可能高的溫度，并長(zhǎng)時(shí)間保溫，待合金中各種元素?cái)U(kuò)散趨于均勻分布后緩冷。⑦去應(yīng)力退火。用以消除鋼鐵鑄件和焊接件的內(nèi)應(yīng)力。對(duì)于鋼鐵制品加熱后開(kāi)始形成奧氏體的溫度以下100～200℃，保溫后在空氣中冷卻，即可消除內(nèi)應(yīng)力。
回火將經(jīng)過(guò)淬火的工件重新加熱到低于下臨界溫度的適當(dāng)溫度，保溫一段時(shí)間后在空氣或水、油等介質(zhì)中冷卻的金屬熱處理。鋼鐵工件在淬火后具有以下特點(diǎn)：①得到了馬氏體、貝氏體、殘余奧氏體等不平衡（即不穩(wěn)定）組織。②存在較大內(nèi)應(yīng)力。③力學(xué)性能不能滿足要求。因此，鋼鐵工件淬火后一般都要經(jīng)過(guò)回火。作用回火的作用在于：①提高組織穩(wěn)定性，使工件在使用過(guò)程中不再發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，從而使工件幾何尺寸和性能保持穩(wěn)定。②消除內(nèi)應(yīng)力，以便改善工件的使用性能并穩(wěn)定工件幾何尺寸。③調(diào)整鋼鐵的力學(xué)性能以滿足使用要求?；鼗鹬跃哂羞@些作用，是因?yàn)闇囟壬邥r(shí)，原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，鋼鐵中的鐵、碳和其他合金元素的原子可以較快地進(jìn)行擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)原子的重新排列組合，從而使不穩(wěn)定的不平衡組織逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的平衡組織。內(nèi)應(yīng)力的消除還與溫度升高時(shí)金屬?gòu)?qiáng)度降低有關(guān)。一般鋼鐵回火時(shí)，硬度和強(qiáng)度下降，塑性提高?；鼗饻囟仍礁?，這些力學(xué)性能的變化越大。有些合金元素含量較高的合金鋼，在某一溫度范圍回火時(shí)，會(huì)析出一些顆粒細(xì)小的金屬化合物，使強(qiáng)度和硬度上升。這種現(xiàn)象稱為二次硬化；要求用途不同的工件應(yīng)在不同溫度下回火，以滿足使用中的要求。①刀具、軸承、滲碳淬火零件、表面淬火零件通常在250℃以下進(jìn)行低溫回火。低溫回火后硬度變化不大，內(nèi)應(yīng)力減小，韌性稍有提高。②彈簧在350～500℃下中溫回火，可獲得較高的彈性和必要的韌性。③中碳結(jié)構(gòu)鋼制作的零件通常在500～600℃進(jìn)行高溫回火，以獲得適宜的強(qiáng)度與韌性的良好配合。淬火加高溫回火的熱處理工藝總稱為調(diào)質(zhì)。鋼在300℃左右回火時(shí)，常使其脆性增大，這種現(xiàn)象稱為第一類回火脆性。一般不應(yīng)在這個(gè)溫度區(qū)間回火。某些中碳合金結(jié)構(gòu)鋼在高溫回火后，如果緩慢冷至室溫，也易于變脆。這種現(xiàn)象稱為第二類回火脆性。在鋼中加入鉬，或回火時(shí)在油或水中冷卻，都可以防止第二類回火脆性。將第二類回火脆性的鋼重新加熱至原來(lái)的回火溫度，便可以消除這種脆性。
表面熱處理對(duì)工件表面進(jìn)行強(qiáng)化的金屬熱處理工藝。它不改變零件心部的組織和性能。廣泛用于既要求表層具有高的耐磨性、抗疲勞強(qiáng)度和較大的沖擊載荷，又要求整體具有良好的塑性和韌性的零件，如曲軸、凸輪軸、傳動(dòng)齒輪等。表面熱處理分為表面淬火和化學(xué)熱處理兩大類。
表面淬火通過(guò)不同的熱源對(duì)工件進(jìn)行快速加熱，當(dāng)零件表層溫度達(dá)到臨界點(diǎn)以上（此時(shí)工件心部溫度處于臨界點(diǎn)以下）時(shí)迅速予以冷卻，這樣工件表層得到了淬硬組織而心部仍保持原來(lái)的組織。為了達(dá)到只加熱工件表層的目的，要求所用熱源具有較高的能量密度。根據(jù)加熱方法不同，表面淬火可分為感應(yīng)加熱（高頻、中頻、工頻）表面淬火、火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火、電解液加熱表面淬火、激光加熱表面淬火、電子束表面淬火等。工業(yè)上應(yīng)用最多的為感應(yīng)加熱和火焰加熱表面淬火。
表面熱處理車間化學(xué)熱處理將工件置于含有活性元素的介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表層或形成某種化合物的覆蓋層，以改變表層的組織和化學(xué)成分，從而使零件的表面具有特殊的機(jī)械或物理化學(xué)性能。通常在進(jìn)行化學(xué)滲的前后均需采用其他合適的熱處理，以便最大限度地發(fā)揮滲層的潛力，并達(dá)到工件心部與表層在組織結(jié)構(gòu)、性能等的最佳配合。根據(jù)滲入元素的不同，化學(xué)熱處理可分為滲碳、滲氮、滲硼、滲硅、滲硫、滲鋁、滲鉻、滲鋅、碳氮共滲、鋁鉻共滲等鍛壓利用鍛壓機(jī)械的錘頭、砧塊、沖頭或通過(guò)模具對(duì)坯料施加壓力，使之產(chǎn)生塑性變形而獲得所需形狀和尺寸制件的成形加工方法。鍛造和沖壓的合稱。鍛壓使工件成形的同時(shí)，也提高了其機(jī)械性能。鍛壓主要用于加工金屬材料，也可以加工某些非金屬材料（如橡膠、塑料、陶瓷等）以及復(fù)合材料的成形；人類利用鍛壓的歷史可以追溯到新石器時(shí)代。約公元前2000多年，中國(guó)已開(kāi)始應(yīng)用冷鍛工藝制造工具。商代中期，中國(guó)利用隕鐵制造武器時(shí)采用了加熱鍛造工藝。最初，鍛造是用人力、畜力和水力來(lái)進(jìn)行的。1842年，英國(guó)的J.內(nèi)史密斯制成第一臺(tái)蒸汽錘。隨后，鍛造水壓機(jī)、夾板錘、空氣鍛錘、機(jī)械壓力機(jī)、蒸汽模鍛錘等相繼問(wèn)世。20世紀(jì)以后，熱模鍛、熱擠壓、冷鍛、冷擠壓、冷鐓等現(xiàn)代鍛造工藝得到發(fā)展。早期的沖壓是利用鏟、剪、沖頭、手錘、砧座等簡(jiǎn)單工具，通過(guò)手工加工使金屬板材成型。19世紀(jì)中期，沖壓加工開(kāi)始向機(jī)械化方向邁進(jìn)。1905年，美國(guó)開(kāi)始生產(chǎn)成卷的熱連軋窄帶鋼，1926年開(kāi)始生產(chǎn)寬帶鋼，以后又出現(xiàn)冷連軋帶鋼；鍛壓種類很多，按成形方式可分為：鍛造和沖壓。按變形溫度則可分為：①熱鍛壓。工件加熱到再結(jié)晶溫度以上的鍛壓。提高溫度能改善金屬的塑性，使之不易開(kāi)裂。當(dāng)金屬有足夠的塑性和變形量不大時(shí)，或變形總量大而所用的鍛壓工藝有利于金屬塑性變形時(shí)，常改用冷鍛壓。②溫鍛壓。工件加熱到超過(guò)常溫但又低于再結(jié)晶溫度的鍛壓。其精度較高，表面較光潔，變形抗力不大。③冷鍛壓。工件在常溫下的鍛壓。冷鍛壓成形的工件，形狀和尺寸精度高，表面光潔，加工工序少，便于自動(dòng)化生產(chǎn)。當(dāng)加工工件大、厚，材料強(qiáng)度高、塑性低時(shí)，都采用熱鍛壓。④等溫鍛壓。工件在整個(gè)成形過(guò)程中溫度保持不變。等溫鍛壓是為了充分利用某些金屬在某一溫度下所具有的高塑性，或?yàn)榱双@得特定的組織和性能，所需費(fèi)用較高，僅用于特殊的鍛壓工藝，如超塑成形。
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