热处理

热处理（或热处理）是一组工业、热和金属加工过程，用于改变材料的物理特性，有时还包括化学特性。 最常见的应用是冶金。 热处理还用于制造许多其他材料，例如玻璃。 热处理涉及使用加热或冷却，通常达到极端温度，以达到所需的结果，例如材料的硬化或软化。 热处理技术包括退火、表面硬化、析出强化、回火、渗碳、正火和淬火。 尽管术语热处理仅适用于为了有意改变性能的特定目的而进行加热和冷却的过程，但加热和冷却通常在热成型或焊接等其他制造过程中偶然发生。

金属材料由称为晶粒或微晶的小晶体的微观结构组成。 晶粒的性质（即晶粒尺寸和成分）是决定金属整体机械性能的最有效因素之一。 热处理提供了一种通过控制微观结构内的扩散速率和冷却速率来控制金属性能的有效方法。 热处理通常用于改变金属合金的机械性能，控制硬度、强度、韧性、延展性和弹性等性能。

在热处理过程中有两种机制可能会改变合金的性能：马氏体的形成导致晶体发生内在变形，扩散机制导致合金均匀性发生变化。

晶体结构由以非常特殊的排列方式组合在一起的原子组成，称为晶格。 在大多数元素中，这个顺序会根据温度和压力等条件自行重新排列。 这种称为同素异形体或多态性的重排可能会在特定金属的许多不同温度下发生多次。 在合金中，这种重排可能导致通常不会溶解到基础金属中的元素突然变得可溶，而同素异形体的逆转将使元素部分或完全不溶。

当处于可溶状态时，扩散过程导致溶解元素的原子散开，试图在贱金属的晶体内形成均匀分布。 如果合金冷却到不溶状态，溶解成分（溶质）的原子可能会从溶液中迁移出来。 这种类型的扩散称为沉淀，会导致成核，其中迁移的原子在晶界聚集在一起。 这形成了通常由两个或多个不同相组成的微观结构。 例如，加热到奥氏体化温度以上（红色到橙热，或大约 1,500 °F（820 °C）到 1,600 °F（870 °C），具体取决于碳含量）的钢，然后缓慢冷却，形成 由铁素体和渗碳体交替层组成的层状结构，成为软珠光体。 将钢加热至奥氏体相后再进行水淬，其显微组织将处于马氏体相。 这是由于钢在淬火后会由奥氏体相转变为马氏体相。 如果淬火没有迅速冷却掉所有的钢，则可能存在一些珠光体或铁素体。

与铁基合金不同，大多数可热处理合金不会发生铁素体转变。 在这些合金中，晶界处的成核通常会强化晶体基体的结构。 这些金属通过沉淀硬化。 通常是一个缓慢的过程，取决于温度，这通常被称为时效硬化。

许多金属和非金属在快速冷却时（使用油、聚合物、水等外部介质）会发生马氏体转变。 当金属冷却得非常快时，不溶性原子可能无法及时迁移出溶液。 这称为无扩散转变。 当晶体矩阵变为低温排列时，溶质原子被困在晶格中。 被捕获的原子阻止晶体基质完全转变为低温同素异形体，从而在晶格内产生剪切应力。 当一些合金快速冷却时，如钢，马氏体转变会使金属变硬，而在其他合金中，如铝，合金会变软。

合金系统的具体成分通常会对热处理结果产生很大影响。 如果每种成分的百分比都恰到好处，合金将在冷却时形成单一、连续的微观结构。 这种混合物被称为共析混合物。 然而，如果溶质的百分比与共析混合物不同，则两种或多种不同