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金屬材料的組織結構和應力狀態通常是通過各種金屬熱處理工藝來實現的。
熱處理是金屬材料的熱工藝之一，它是各類機械制造業工藝中重要的一環。盡管選料適當，但沒有相應的熱處理工藝，就不可能滿足各種使用要求，也沒有發揮材料的潛在能力。
所謂熱處理就是將金屬材料加熱到一定溫度，并在此溫度下停留一段時間，然后以適當的冷卻速度冷卻至一定溫度的工藝過程。熱處理改變金屬內的組織結果，從而改善金屬的性能，使其滿足各種使用要求。現將現代工業中使用的各類熱處理工藝做如下介紹：
1．退火
將金屬材料加熱到較高的溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻，以得到接近于平衡狀態組織的工藝方法，稱為退火。
退火的主要目的是：①降低硬度，改善加工性能；②增加塑性和韌性；③消除內應力；④改善內部組織，為最終熱處理做好準備。
根基退火的目的和工藝特點，可分為完全退火、不完全退火、等溫退火、球化退火、去應力退火、再結晶退火 和擴散退火等七類。
按零件需退火部分的體制可分為整體退火及局部退火。按零件表面狀態可分為黑皮退火和光亮退火等。
鑄鐵件的退火主要包括脫碳退火、各種石墨化退火及消除應力退火等。有熱金屬零件主要有再結晶退火、消除應力退火及鑄態的擴散退火等。
2．正火
將金屬材料加熱到一定溫度，保溫后在空中冷卻，以得到較細的珠光體類組織的工藝方法，稱為正火。
正火與退火基本上相似，正火的目的是：
①提高低碳鋼的硬度，改善切削加工性；
②細化晶粒，使內部組織均勻，為最后熱處理做準備；
③消除內應力，并防止淬火中的變形開裂。
正火主要用于低碳鋼、中碳鋼和低合金鋼，而對于高碳鋼和高合金鋼則不常用。正火與退火比較，正火后鋼的強度和硬度都比退火高，正火工藝簡單、經濟，應用很廣，與退火相比成本也較低。
3．淬火
淬火是把金屬材料加熱到相變溫度以上，保溫后，以大于臨界冷卻速度的速度急劇冷卻，以獲得馬氏體組織的熱處理工藝。
淬火是為了得到馬氏體組織，再經過回火后，使工件過的良好的使用性能，以充分發揮材料的潛力。其主要目的是：
①提高金屬金屬材料的力學性能。例如：提高工具、軸承等硬度和耐磨性，提高彈簧性鋼的彈性極限，提高軸類零件的綜合力學性能，等等。
②改善某些特殊鋼的力學性能或化學性能，如提高不銹鋼的耐蝕性，增加磁鋼的永磁性等。
淬火冷卻時，除需合理選用淬火介質外，還要有正確的淬火方法。常用的淬火方法，主要有單液淬火、雙液淬火、分級淬火、等溫淬火、預冷淬火和局部淬火等。
鋼材或金屬材料零件熱處理時尋用不同的淬火工藝。其目的除了為使其得到需要的組織和適當的性能外，淬火工藝還應保證被處理的零件尺寸和幾何形狀的變化盡坑地小，以保證零件的精度。
4．回火
回火是指將淬火（或正火）后的鋼材或零件加熱到臨界點（Ac1）以下的某一溫度，保溫一定的時間后，以一定速度冷卻至室溫度，的熱處理工藝的總稱。回火是淬火后緊接著進行的一種操作，通常也是工件進行熱處理的最后一道工序，因而把淬火和回火的聯合工藝稱為最終熱處理。
淬火回火的主要目的是：
①減少內應力和降低脆性。淬火件存在著很大的應力和脆性，如不及時回火往往回產生變形甚至開裂。
②調整工件的力學性能。工件淬火后的硬度高、脆性大，為了滿足各種工件不同的性能要求。可以通過回火來調整硬度、強度、塑性和韌性。
③穩定工件尺寸。通過回火可使用金相組織趨于穩定，以保證在以后的使用過程中不再發生變形。
④改善某些合金鋼的切削性能。
在生產中，常根據對工件性能的要求，按加熱溫度的不同，把回火分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。
淬火和隨后高溫回火相結合的熱處理工藝，稱為調質。調質后的目的是獲得回火索氏體，使工件具有口號的綜合力學性能，即字具有高強度的同時，又有好的塑性和韌性。主要用于處理承受繳大載荷的機器結構零件，如機床主軸、汽車后橋半軸、強力齒輪等。
5．冷處理
冷處理是指將淬火后的金屬成材或零件置于0℃以下的低溫介質（通常在-30~150℃）中繼續冷卻，使淬火時的殘余奧氏兆轉變為馬氏體組織的操作方法。
冷處理的主要目的是：
①進一步提高淬火件的硬度和耐磨性；
②穩定工件尺寸，防止和使用過程變形
③提高鋼的鐵磁性。
冷處理主要用于高合金鋼、高碳鋼和滲碳鋼制造的精密零件。
6．時效
時效包括自然時效和人工時效。將工件長期（半年至一年或長時間）放置在室溫或露天條件下，不需任何加熱的工藝方法，即自然時效。將工件加熱至低溫（鋼加熱到100~150℃、鑄鐵加熱到500~600℃），經較長時間（一般為8~15h）保溫后，緩慢冷卻到室溫的工藝方法，叫做人工時效。
時效主要用于精密工具、量具、模具和滾動軸承，以及其他要求精度高的機械零件。時效的目的是：
①消除內應力，以減少工件加工或使用時的變形；
②穩定尺寸，使工件在長期使用過程中保持幾何精度。
7．表面淬火
在動力載荷及摩擦條件下工作的齒輪、曲軸等零件，要求表面具有高硬度和高耐磨性，而心部又要求具有足夠的塑性和韌性。這就需要采用表面熱處理的方法來解決。表面淬火屬于表面熱處理工藝，是通過不同的熱源對零件進行快速加熱，使零件的表面層（一定厚度）很快地加熱到淬火溫度。然后迅速冷卻，從而使表面層獲得具有高硬度的馬氏體，而心部仍然保持塑性和韌性較好的原來組織。
根據加熱方式的不同，表面淬火又可分為火焰表面淬火、感應加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火、電解液加熱表面淬火等。
表面淬火后常需要進行低溫回火以降低應力并部分地恢復表面層的塑性。
8．化學熱處理
化學熱處理是將工件在含有活性元素的介質中加熱和保溫，使合金元素滲入表面層，以改變表層的化學成分和組織，提高工件的耐磨性、抗蝕性、疲勞抗力或接觸疲勞抗力等性能的工藝方法。
化學熱處理包含著分解、吸收、擴散三個基本過程。
分解系指化學介質在一定穩定下，由于發生化學分解反應，生成能夠滲入工件的“活性原子”。
吸收系是指分解析出來的“活性原子”被吸附在工件表面，然后溶入金屬晶格中。
擴散系是指表面吸附“活性原子”后，使滲入元素的濃度大大提高，這樣就形成了表面和內部顯著的濃度差，從而獲得一定厚度的擴散層。
根據滲入元素的不同，化學熱處理可分為滲碳、滲氮（氮化）、碳氮共滲、軟氮化、滲金屬等。通常，在進行化學滲（鍍）的前后均需施以合適的熱處于里，以期******限度的發揮滲（鍍）層的潛力，并達到鋼件心部與表層在金相組織、應力分布等方面的******配合。
滲碳是化學熱處理中最常用的一種，它是向工件表層滲入活性原子，提高表層碳濃度是一種操作工藝。滲碳的目的是獲得高碳的表面層，提高工件表面的硬度和耐磨性，而心部仍保持原有的高韌性和高塑性，主要用于處理承受交變載荷、沖擊載荷、很大接觸應力和嚴重磨損條件工作的機械結構零件，如汽車變速箱及后橋齒輪、發動機活塞銷等。
