通常熱處理是通過對金屬材料進(jìn)行升溫加熱、保溫一段時間后冷卻，獲得需要的使用性能的一種加工工藝。具體地說，鋼鐵材料的熱處理就是正火、淬火、退火和回火；而對有色金屬，如鋁合金、鈦合金，則是固溶、淬火、時效和退火。

明明都是一樣的熱處理，為什么會有這么多的不同叫法？這主要是因?yàn)橐遭伜辖馂榇�表的有色金屬，其熱處理過程中的變化比較復(fù)雜，不僅涉及了同素異構(gòu)的轉(zhuǎn)變，還有合金元素的擴(kuò)散相變和馬氏體相變等，并且很多熱處理的機(jī)理還未形成共識，不能簡單地套用“四把火”來說明。下面本文結(jié)合鋼、鋁合金和鈦合金的常規(guī)熱處理工藝，來探討金屬材料的熱處理本質(zhì)。

02熱處理的定義

熱處理是通過對金屬材料進(jìn)行升溫加熱、保溫、冷卻，使用金屬的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而獲得需要的使用性能的一種材料加工工藝。金屬熱處理是機(jī)械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，改善工件的使用性能。例如白口鑄鐵經(jīng)過長時間退火處理可以獲得可鍛鑄鐵，提高塑性；齒輪采用正確的熱處理工藝，使用壽命可以比不經(jīng)熱處理的齒輪成倍或幾十倍地提高；另外，價廉的碳鋼通過滲入某些合金元素就具有某些價昂的合金鋼性能，可以代替某些耐熱鋼、不銹鋼；工模具則幾乎全部需要經(jīng)過熱處理方可使用。

合金的顯微組織復(fù)雜，經(jīng)過不同的熱處理?xiàng)l工藝得到的顯微組織也會不同，因而其性能也就不同。

加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數(shù)之一，選擇和控制加熱溫度，是保證熱處理質(zhì)量的主要問題。加熱溫度隨被處理的金屬材料和熱處理的目的不同而異，但一般都是加熱到相變溫度以上，以獲得需要的組織。由于相或組織的轉(zhuǎn)變需要一定的時間，因此當(dāng)金屬工件達(dá)到加熱溫度時，還需在此溫度保持一定時間，使相變轉(zhuǎn)變完全，這段時間稱為保溫時間。

冷卻也是熱處理工藝過程中不可缺少的步驟，冷卻方法因工藝不同而不同，主要是控制冷卻速度。一般退火的冷卻速度最慢，正火的冷卻速度較快，淬火的冷卻速度更快。但還因鋼種不同而有不同的要求，例如空硬鋼就可以用正火一樣的冷卻速度進(jìn)行淬硬，這是因?yàn)榭沼蹭摷訜岷笤谡�常的空氣冷卻條件下能夠發(fā)生馬氏體相變。

03熱處理的“四把火”

鋼鐵材料的“四把火”中，除了淬火（非擴(kuò)散相變）外，其它三把火（退火、正火和回火）都有擴(kuò)散或半擴(kuò)散相變。

淬火適用于黑色金屬和有色金屬，其工藝一般是將工件加熱保溫后，在水、油或無機(jī)鹽等淬火介質(zhì)中快速冷卻。淬火后金屬材料變硬，但同時會變脆（對鈦合金，由于淬火后其硬度變化不大，因此一般稱其淬火工藝為固溶）。淬火與其它熱處理的比較，其主要特征是快速冷卻、有馬氏體相變且硬度增加。

為了消除鋼鐵材料的淬火脆性，一般需要及時進(jìn)行回火處理。回火與淬火聯(lián)系密切，常常配合使用、缺一不可。回火是將經(jīng)過淬火的工件重新加熱到適當(dāng)溫度，保溫一段時間后在空氣或水、油等介質(zhì)中冷卻的金屬熱處理工藝，本質(zhì)上屬于退火，其效果同退火也很相似，只是得到的顯微組織更細(xì)，常用于改善材料的切削性能，也有時用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理（正火一般采用空冷，經(jīng)濟(jì)性較淬火+回火要好）。

對鋼鐵材料，回火是為了降低鋼件的淬火脆性；對鋁、鈦等合金，淬火后合金的強(qiáng)度、硬度并沒有明顯變化，因此一般稱為固溶處理，固溶后隨之進(jìn)行時效處理。這些不同名稱都是習(xí)慣造成的。另一方面是鋼鐵材料的熱處理工藝發(fā)展了上百年，很多工藝都形成了統(tǒng)一認(rèn)識，有專有的名詞來進(jìn)行區(qū)分，而鈦合金的熱處理工藝發(fā)展較晚，很多機(jī)理未形成共識，缺乏權(quán)威專業(yè)的定義，所以其熱處理工藝的名稱并不統(tǒng)一、且較為籠統(tǒng)，既有固溶+時效、雙重時效等專業(yè)性名詞，也有退火、雙重退火、三重退火等通俗叫法。

退火的通用定義是指將金屬緩慢加熱到一定溫度，保持足夠時間，然后以適宜速度冷卻(通常是緩慢冷卻，有時是控制冷卻) 。其本質(zhì)是使金屬內(nèi)部組織達(dá)到或接近平衡狀態(tài)（有擴(kuò)散相變），獲得良好的工藝性能和使用性能，包括去應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火（之前需要冷變形）和均勻化退火。

04有色金屬的熱處理

有色金屬及合金最常用的熱處理方法有：退火、固溶處理/淬火、時效和形變熱處理。其中，退火工藝與鋼的退火完全一樣，主要目的是消除殘余應(yīng)力、成分不均勻或組織不穩(wěn)定等缺陷。

固溶處理/淬火是獲得過飽和固溶體的熱處理方法，即將合金加熱到第二相能完全或最大限度地溶入基體的溫度，保溫一段時間后，以快于第二相析出的速度冷卻（淬火）的熱處理工藝。與鋼的淬火+回火組合相似，有色金屬進(jìn)行固溶/淬火處理后，一般會進(jìn)行時效處理。

時效是指有色金屬淬火后形成的亞穩(wěn)定組織，在室溫或加熱（遠(yuǎn)低于淬火溫度）時會發(fā)生固溶體分解和析出過剩溶質(zhì)原子的這一過程即時效。有色金屬在固溶處理后，塑性和耐蝕性一般都顯著提高，而硬度、強(qiáng)度則沒有明顯的變化，如鋁合金、鈦合金在固溶后強(qiáng)度變化并不大，需要進(jìn)行時效處理提高強(qiáng)度，以及組織的穩(wěn)定性和成分均勻性。

形變熱處理是將塑性變形和熱作用結(jié)合起來的熱處理方法，由于塑性變形能改善合金內(nèi)部晶體缺陷，加熱保溫能發(fā)生同素異構(gòu)體的轉(zhuǎn)變，因此形變熱處理能顯著改變合金的組織與結(jié)構(gòu)，并獲得所需的力學(xué)和物理性能，與單一的熱處理或變形加工相比，形變熱處理能夠獲得更好的性能。

05熱處理的歸類

從熱處理工藝的本質(zhì)，幾乎所有的熱處理都是通過三種方式進(jìn)行的：

1）無相變的熱處理，如再結(jié)晶，一般處理工藝為經(jīng)過冷變形后在中高溫退火，這種處理方式對于所有的合金都是適用的；

2）有同素異構(gòu)體相變的熱處理，這包括淬火時的切變轉(zhuǎn)變（馬氏體和類馬氏體轉(zhuǎn)變）和時效時的擴(kuò)散轉(zhuǎn)變；

3）其它相變的熱處理，如共析和有序化轉(zhuǎn)變，共析轉(zhuǎn)變可以發(fā)生在退火和時效兩個過程中，有序化轉(zhuǎn)變一般只發(fā)生在時效過程中（此類轉(zhuǎn)變時間較長）。

按照上述熱處理的分類思想，將金屬材料的所有熱處理分為兩個階段，即前一階段的淬火或固溶（形成過飽和固溶體），后一階段的回火/退火或時效（固溶體分解或溶質(zhì)析出）。因此，金屬材料的熱處理工藝可以被分為三大類：淬火＋回火；固溶＋時效；淬火＋時效。下面以鋼、鋁合金和鈦合金的熱處理分別予以說明。

06淬火＋回火

淬火＋回火應(yīng)用最典型的就是鋼的熱處理，工藝過程為將合金加熱到相變點(diǎn)附近位置并保溫一段時間，然后進(jìn)行快速冷卻，通過切變（馬氏體相變）形成過飽和固溶體，在回火的過程中，使過飽和固溶體中的合金元素重新析出，形成中間相和化合物。

該熱處理的主要特征：合金在淬火過程中發(fā)生非擴(kuò)散轉(zhuǎn)變的馬氏體相變，即發(fā)生同素異構(gòu)切變，合金硬度、強(qiáng)度急劇升高，塑性、韌性急劇降低，在隨后回火過程中，由于固溶相的析出，合金硬度、強(qiáng)度降低，塑性、韌性升高。

至于具體的工藝參數(shù)，比如淬火溫度、淬火保溫時間、淬火介質(zhì)、回火溫度、回火時間等，不同類型的鋼種，其對應(yīng)的工藝參數(shù)均有一定的差別。

07固溶＋時效

固溶＋時效應(yīng)用最典型就是鋁合金的熱處理，即將合金加熱到低于熔點(diǎn)的某個溫度，保溫一段時間，然后快速冷卻（鋁合金相對于鋼冷速要稍慢一些），形成過飽和固溶體，隨后再在稍低的溫度下進(jìn)行時效。其主要特征是在固溶快冷過程中沒有發(fā)生相變，合金的力學(xué)性能變化不大，在隨后的時效過程中由于中間相的析出，合金硬度、強(qiáng)度升高，塑性、韌性降低。

針對具體牌號的鋁合金，其對應(yīng)的工藝參數(shù)（固溶溫度、保溫時間、時效溫度和時間）也有一定差別。

淬火＋時效應(yīng)用典型例子是鈦合金的熱處理，其重要特征是淬火過程中發(fā)生了馬氏體相變，即同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，但與鋼相反，鈦合金的塑性、韌性稍有升高，硬度、強(qiáng)度稍有降低。在隨后時效過程中，由于細(xì)小時效α相的生成，合金硬度、強(qiáng)度升高，塑性、韌性降低。

鈦合金熱處理的具體工藝參數(shù)較鋼、鋁合金更為復(fù)雜，這主要是因?yàn)楹辖鹪�素種類更多、性質(zhì)差別大，對(α＋β)型和近β型鈦合金，常見的熱處理工藝有退火、雙重退火或固溶+時效等。

09淬火與固溶的辨析

對于上述三類熱處理，它們的基本原理都是相通的，即在高溫保溫過程中，使合金元素固溶到基體中，然后在急冷過程中發(fā)生非平衡轉(zhuǎn)變，形成過飽和固溶體，隨后的時效使過飽和度弱化，析出第二相。之所以有淬火和固溶、回火和時效的區(qū)別，主要還是人們根據(jù)其材料性質(zhì)的不同，以及它們所產(chǎn)生的力學(xué)性能效果不同而約定俗成的。

淬火和固溶的區(qū)別在于是否發(fā)生非擴(kuò)散的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（馬氏體相變），凡是在急冷過程中發(fā)生非擴(kuò)散的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變就稱為淬火，而只發(fā)生過飽和固溶就稱為固溶。鋼和鈦合金在淬火過程中都發(fā)生非擴(kuò)散的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，即鋼由面心立方的奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方的鐵素體相，鈦合金由體心結(jié)構(gòu)的β態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱�方結(jié)構(gòu)的α態(tài)，而鋁合金沒有這種同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。因此，對鋼來說是淬火，對鋁合金、鈦合金來說則是固溶。

                                                                                                         10回火與時效的辨析

回火和時效的區(qū)別在于發(fā)生的相變類型不同，鋼的回火（C原子擴(kuò)散，碳化物析出，硬度降低），通常與淬火配合使用，其結(jié)果是使合金的硬度、強(qiáng)度下降，塑性、韌性升高；而時效（合金元素?cái)U(kuò)散，生成有序相金屬間化合物，沉淀強(qiáng)化明顯），一般與固溶配合使用，則使合金的硬度、強(qiáng)度升高，塑性、韌性降低。可以認(rèn)為，凡是在淬火/固溶后能使合金硬度、強(qiáng)度下降，塑性、韌性升高的較低溫度保溫都叫回火，有相反的結(jié)果就叫時效。

回火和時效產(chǎn)生這樣的結(jié)果主要還是與金屬固溶體的性質(zhì)有關(guān)，合金在固溶后時效的過程中存在硬度競爭的關(guān)系。在時效過程中，由于第二相的析出，合金過飽和度下降，硬度下降，塑性、韌性升高；但是析出的第二相形成沉淀強(qiáng)化，又造成硬度、強(qiáng)度升高，塑性、韌性降低。這樣就看哪種機(jī)制起主要作用，時效后的力學(xué)性能則表現(xiàn)為哪個方面，幾乎所有的金屬在時效過程中都存在著這兩方面的競爭現(xiàn)象。一般來說，形成間隙固溶體的合金在隨后的時效過程中硬度都降低，置換固溶體則相反。以鋼為例，在固溶過程中由于C原子半徑小，且為主要的合金元素，含量多，基本都形成間隙固溶體，具有很高的強(qiáng)化效果，而在隨后的時效過程中雖然C原子的析出形成了一些碳化物，起到一些強(qiáng)化效果，但不足以補(bǔ)償過飽和度下降而造成的硬度損失，所以它的時效稱為回火。從這個意義上說，回火可以定義為間隙固溶原子的時效析出。

與上述鋼的回火不同，鋁合金在固溶過程中基本都形成置換固溶體，冷卻只能是有限強(qiáng)化，即強(qiáng)化效果不顯著。隨后的時效析出大量第二相，沉淀強(qiáng)化效果強(qiáng)，相對于固溶析出的硬度減小，沉淀強(qiáng)化起主要作用，所以在時效后表現(xiàn)出硬度、強(qiáng)度升高，塑性、韌性降低的趨勢。當(dāng)然在鋁合金中也存在這種間隙固溶，但C、O等原子半徑小的元素一般被作為雜質(zhì)，在鋁合金中含量很低，所以回火基本不能表現(xiàn)出來，可以忽略。

對于鈦合金，在淬火后，鈦合金發(fā)生馬氏體相變，由β相轉(zhuǎn)變?yōu)閍＇相或a＂相，發(fā)生同素異構(gòu)體轉(zhuǎn)變，隨后的時效過程中a＇相和a＂相分解，生成α相、β相和一些中間化合物，合金的硬度也隨之升高，所以鈦合金的熱處理是淬火＋時效。

回火過程對于合金來說一般是必須有的，而時效則視合金要求可有可無。這主要還是與固溶方式有關(guān)，間隙固溶造成的晶格畸變能大，合金在淬火冷卻過程中形成了很大的內(nèi)能，合金處于高的能量狀態(tài)，這個能如果足夠大的話可以造成工件的開裂，這就是淬火裂紋，這也是要選擇淬火介質(zhì)的原因；這些內(nèi)能如果不進(jìn)行回火釋放，對合金的性能將產(chǎn)生很大的不利影響，所以必須進(jìn)行回火。而置換固溶，相對來說晶格畸變能較小，合金處于較低的能量狀態(tài)，并且合金固溶態(tài)相對于時效態(tài)來說有較好的塑性，所以很多情況下使用固溶狀態(tài)（如不能熱處理強(qiáng)化的α型鈦合金，在固溶后可直接使用，無需時效）。

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0-1 回火與時效

10-1 回火與時效