金屬材料熱處理將固態(tài)金屬放在一定的介質中加熱到特定的溫度并保持一段時間后，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部組織結構或表面的化學成分，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成分。鋼鐵是工業(yè)上應用最廣的金屬，且其組織結構也非常復雜，因而鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內容。
熱處理在機械零件加工制造過程中的作用有兩個方面：①保證和提高工件的某些性能。②改善毛坯的組織和應力狀態(tài)，以利于各種冷、熱加工。因此，熱處理可以是一個中間工序，如為改變鍛、鑄、軋毛坯組織而進行的退火或正火，以及為消除應力，降低零件硬度、改善切削加工性能而進行的退火等；也可以是使加工零件性能達到規(guī)定技術指標的最終工序，如經過淬火加高溫回火，使零件獲得良好的綜合機械性能等。
淬火將金屬工件加熱到某一適當溫度并保持一段時間，隨即浸入淬冷介質中快速冷卻的金屬熱處理工藝。常用的淬冷介質有鹽水、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）。通過淬火與不同溫度的回火配合，可以大幅度提高金屬的強度、韌性及疲勞強度，并可獲得這些性能之間的配合（綜合機械性能）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性能，如淬火使永磁鋼增強其鐵磁性、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，原有在室溫下的組織將全部或大部轉變?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變?yōu)轳R氏體，獲得高硬度，然后在適當溫度下回火，使工件具有預期的性能。淬火時的快速冷卻會使工件內部產生內應力，當其大到一定程度時工件便會發(fā)生扭曲變形甚至開裂。為此必須選擇合適的冷卻方法。根據冷卻方法，淬火工藝分為單液淬火、雙介質淬火、馬氏體分級淬火和貝氏體等溫淬火4類。
正火將工件加熱到適當溫度，保溫一段時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一些，其機械性能也有所提高。另外，正火爐外冷卻不占用設備，生產率較高，因此生產中盡可能采用正火來代替退火。正火的主要應用范圍有：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處理。②用于中碳鋼，可代替調質處理作為最后熱處理，也可作為用感應加熱方法進行表面淬火前的預備處理。③用于工具鋼、軸承鋼、滲碳鋼等，可以消降或抑制網狀碳化物的形成，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，從而避免淬火時較大的開裂傾向。⑥用于球墨鑄鐵，使硬度、強度、耐磨性得到提高，如用于制造汽車、拖拉機、柴油機的曲軸、連桿等重要零件。
退火將工件加熱到預定溫度，保溫一定的時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、軋制和焊接過程中所造成的各種組織缺陷以及殘余應力，防止工件變形、開裂。②軟化工件以便進行切削加工。③細化晶粒，改善組織以提高工件的機械性能。④為最終熱處理（淬火、回火）作好組織準備。常用的退火工藝有：①完全退火。用以細化中、低碳鋼經鑄造、鍛壓和焊接后出現的力學性能不佳的粗大過熱組織。將工件加熱到鐵素體全部轉變?yōu)閵W氏體的溫度以上30～50℃，保溫一段時間，然后隨爐緩慢冷卻，在冷卻過程中奧氏體再次發(fā)生轉變，即可使鋼的組織變細。②球化退火。用以降低工具鋼和軸承鋼鍛壓后的偏高硬度。將工件加熱到鋼開始形成奧氏體的溫度以上20～40℃，保溫后緩慢冷卻，在冷卻過程中珠光體中的片層狀滲碳體變?yōu)榍驙睿瑥亩档土擞捕?。③等溫退火。用以降低某些鎳、鉻含量較高的合金結構鋼的高硬度，以進行切削加工。一般先以較快速度冷卻到奧氏體最不穩(wěn)定的溫度，保溫適當時間，奧氏體轉變?yōu)橥惺象w或索氏體，硬度即可降低。④再結晶退火。用以消除金屬線材、薄板在冷拔、冷軋過程中的硬化現象（硬度升高、塑性下降）。加熱溫度一般為鋼開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，保溫一定時間后適當冷卻，使?jié)B碳體分解形成團絮狀石墨。⑥擴散退火。用以使合金鑄件化學成分均勻化，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，并長時間保溫，待合金中各種元素擴散趨于均勻分布后緩冷。⑦去應力退火。用以消除鋼鐵鑄件和焊接件的內應力。對于鋼鐵制品加熱后開始形成奧氏體的溫度以下100～200℃，保溫后在空氣中冷卻，即可消除內應力。
回火將經過淬火的工件重新加熱到低于下臨界溫度的適當溫度，保溫一段時間后在空氣或水、油等介質中冷卻的金屬熱處理。鋼鐵工件在淬火后具有以下特點：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存在較大內應力。③力學性能不能滿足要求。因此，鋼鐵工件淬火后一般都要經過回火。作用回火的作用在于：①提高組織穩(wěn)定性，使工件在使用過程中不再發(fā)生組織轉變，從而使工件幾何尺寸和性能保持穩(wěn)定。②消除內應力，以便改善工件的使用性能并穩(wěn)定工件幾何尺寸。③調整鋼鐵的力學性能以滿足使用要求?；鼗鹬跃哂羞@些作用，是因為溫度升高時，原子活動能力增強，鋼鐵中的鐵、碳和其他合金元素的原子可以較快地進行擴散，實現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變?yōu)榉€(wěn)定的平衡組織。內應力的消除還與溫度升高時金屬強度降低有關。一般鋼鐵回火時，硬度和強度下降，塑性提高?；鼗饻囟仍礁?，這些力學性能的變化越大。有些合金元素含量較高的合金鋼，在某一溫度范圍回火時，會析出一些顆粒細小的金屬化合物，使強度和硬度上升。這種現象稱為二次硬化；要求用途不同的工件應在不同溫度下回火，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℃以下進行低溫回火。低溫回火后硬度變化不大，內應力減小，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中碳結構鋼制作的零件通常在500～600℃進行高溫回火，以獲得適宜的強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質。鋼在300℃左右回火時，常使其脆性增大，這種現象稱為第一類回火脆性。一般不應在這個溫度區(qū)間回火。某些中碳合金結構鋼在高溫回火后，如果緩慢冷至室溫，也易于變脆。這種現象稱為第二類回火脆性。在鋼中加入鉬，或回火時在油或水中冷卻，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的回火溫度，便可以消除這種脆性。
表面熱處理對工件表面進行強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、傳動齒輪等。表面熱處理分為表面淬火和化學熱處理兩大類。
表面淬火通過不同的熱源對工件進行快速加熱，當零件表層溫度達到臨界點以上（此時工件心部溫度處于臨界點以下）時迅速予以冷卻，這樣工件表層得到了淬硬組織而心部仍保持原來的組織。為了達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。根據加熱方法不同，表面淬火可分為感應加熱（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)上應用最多的為感應加熱和火焰加熱表面淬火。
表面熱處理車間化學熱處理將工件置于含有活性元素的介質中加熱和保溫，使介質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成分，從而使零件的表面具有特殊的機械或物理化學性能。通常在進行化學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，并達到工件心部與表層在組織結構、性能等的最佳配合。根據滲入元素的不同，化學熱處理可分為滲碳、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械的錘頭、砧塊、沖頭或通過模具對坯料施加壓力，使之產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，也提高了其機械性能。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）以及復合材料的成形；人類利用鍛壓的歷史可以追溯到新石器時代。約公元前2000多年，中國已開始應用冷鍛工藝制造工具。商代中期，中國利用隕鐵制造武器時采用了加熱鍛造工藝。最初，鍛造是用人力、畜力和水力來進行的。1842年，英國的J.內史密斯制成第一臺蒸汽錘。隨后，鍛造水壓機、夾板錘、空氣鍛錘、機械壓力機、蒸汽模鍛錘等相繼問世。20世紀以后，熱模鍛、熱擠壓、冷鍛、冷擠壓、冷鐓等現代鍛造工藝得到發(fā)展。早期的沖壓是利用鏟、剪、沖頭、手錘、砧座等簡單工具，通過手工加工使金屬板材成型。19世紀中期，沖壓加工開始向機械化方向邁進。1905年，美國開始生產成卷的熱連軋窄帶鋼，1926年開始生產寬帶鋼，以后又出現冷連軋帶鋼；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，使之不易開裂。當金屬有足夠的塑性和變形量不大時，或變形總量大而所用的鍛壓工藝有利于金屬塑性變形時，常改用冷鍛壓。②溫鍛壓。工件加熱到超過常溫但又低于再結晶溫度的鍛壓。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，便于自動化生產。當加工工件大、厚，材料強度高、塑性低時，都采用熱鍛壓。④等溫鍛壓。工件在整個成形過程中溫度保持不變。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，或為了獲得特定的組織和性能，所需費用較高，僅用于特殊的鍛壓工藝，如超塑成形。
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