鋼材熱處理是指將鋼材在固態下加熱、保溫和冷卻，以改變其內部微觀結構並獲得所需性能的過程。熱處理可以消除鑄件和鍛件等零件坯料中的缺陷，改善鋼材的加工性能（如可加工性和成形性），並增強鋼材的機械性能。透過充分發揮鋼材的潛力，熱處理有助於降低生產成本、提高零件的使用性能並延長產品壽命。
一、淬火
鋼的淬火是一種熱處理工藝，其中鋼被加熱到高於亞共析鋼的臨界溫度Ac3或過共析鋼的臨界溫度Ac1的溫度，保持一段時間以實現完全或部分奧氏體化，然後以大於臨界冷卻速率的速度快速冷卻到低於Ms溫度，或者在Ms附近等溫轉變保持以促進馬氏體體。
淬火一詞也常用於指固溶處理或任何涉及其他材料（如鋁合金、銅合金和鈦合金）快速冷卻的熱處理。
淬火的目的
- 增強半成品金屬製品或零件的機械性質。例如，提高工具和軸承的硬度和耐磨性，提高彈簧的彈性極限，以及提升軸類零件的整體機械性能。
- 改善某些特種鋼的材料或化學性質。例如，提高… 不銹鋼的耐腐蝕性 或增強磁性鋼的永久磁性。
在淬冷過程中，除了選擇合適的淬火介質外，還必須採用正確的淬火方法。常見的淬火方法包括：單槽淬火、雙槽淬火、馬氏體淬火、等溫淬火和局部淬火。
淬火後鋼的特性
- 形成不穩定或非平衡的微觀結構，例如馬氏體、貝氏體和殘餘奧氏體。
- 存在較高的內部應力或殘餘應力。
- 淬火後的機械性質通常不足以滿足使用要求。因此，鋼製工件一般需要在淬火後進行回火處理。
二、回火
回火是一種熱處理工藝，它將淬火後的金屬製品或零件加熱到特定溫度，保溫一段時間，然後以可控速率冷卻。回火在淬火後立即進行，通常是熱處理的最後一步。淬火和回火的組合製程通常被稱為最終處理或淬火回火製程。
回火的目的
- 降低內應力，減少脆性。淬火零件應力高、脆性大，若未及時回火，容易變形甚至裂開。
- 調整工件的機械性質。淬火後，零件硬度高但脆性也高。回火用於調整零件的硬度、強度、延展性（塑性）和韌性的組合，以滿足各種零件的不同性能要求。
- 穩定工件尺寸。回火處理有助於穩定微觀結構，確保在後續使用過程中不會發生進一步的尺寸變化。
- 提高某些合金鋼的切削加工性能。
- 增強微觀結構穩定性，防止工件在使用壽命期間發生微觀結構變化，從而維持穩定的幾何形狀和性能。
- 消除內部應力，從而提高使用性能並穩定零件的幾何形狀。
- 調整鋼材的機械性質以滿足使用要求。
這些效應的出現是因為高溫提高了原子遷移率，使得鐵、碳和其他合金元素的原子能夠更快擴散。這促進了原子的重排和重組，逐漸將不穩定的非平衡微觀結構轉變為穩定的平衡微觀結構。此外，高溫下金屬強度的降低也與內應力的消除有關。
通常情況下，鋼材回火會導致硬度和強度降低，延展性提高。回火溫度越高，這些機械性質的變化就越大。然而，某些高合金鋼在一定溫度範圍內回火時，會析出細小的金屬化合物，導致強度和硬度提高。這種現象稱為二次硬化。
回火要求：不同用途的工件必須在不同的溫度下進行回火處理，以符合其使用要求。
- 低溫回火（150-250℃）：適用於工具、軸承、滲碳淬火件及表面硬化零件。低溫回火對硬度影響不大，可降低內應力，略微提高韌性。
- 中溫回火（350-500°C）：用於彈簧以獲得高彈性和必要的韌性。
- 高溫回火（500-600°C）：適用於中碳結構鋼零件，以獲得強度和韌性的良好組合。
鋼材在300℃左右回火時，其脆性通常會增加。這種現象稱為I型回火脆性。一般應避免在此溫度範圍內進行回火。一些中碳合金結構鋼在高溫回火後緩慢冷卻至室溫時也容易變脆，這稱為I型回火脆性。
在鋼材中添加鉬，或在回火過程中用油或水快速冷卻，可防止 II 型回火脆性。將易發生 II 型回火脆性的鋼材重新加熱到原始高回火溫度，可以消除這種脆性。
在製造業中，根據所需的性能，回火通常按加熱溫度進行分類：
- 低溫回火（150-250℃）：顯微組織為回火馬氏體。可降低內應力和脆性，提高延展性和韌性，並維持高硬度和耐磨性。適用於量規、切削刀具和滾動軸承。
- 中溫回火（350-500℃）：顯微組織為屈氏體。具有較高的彈性、一定的延展性和硬度。用於製造彈簧和鍛造模具。
- 高溫回火（500-650℃）：顯微組織為索氏體。獲得優異的整體機械性能。用於齒輪和曲軸。
淬火後進行高溫回火的組合製程稱為淬火回火，這種製程可使材料兼具高強度、良好的延展性和韌性。
三、歸一化
正火是一種旨在提高鋼材韌性的熱處理過程。它將鋼材部件加熱到比Ac3溫度高30至50℃的溫度，保溫一段時間後，在爐外靜止空氣中冷卻。其主要特點是冷卻速度比退火快，但比淬火慢。正火利用這種略快的冷卻速度來細化鋼材的晶粒結構。這不僅能獲得令人滿意的強度，還能顯著提高韌性（以AKV值衡量），並降低零件的開裂傾向。一些低合金熱軋鋼板、低合金鋼鍛造和鑄件經正火處理後，其整體機械性能已顯著改善，同時也能提高其加工性能。
歸一化的應用
亞共析鋼：正火處理用於消除鑄件、鍛件和焊接中粗大的過熱晶粒組織和魏氏體組織，並去除軋製產品中的帶狀組織。它能細化晶粒，可作為淬火前的預熱處理。
過共析鋼：正火可以消除二次滲碳體的網狀結構或晶界膜，細化珠光體，不僅可以改善機械性能，而且有利於後續的球化退火。
低碳鋼：正火處理可產生更多細小的片層珠光體，使硬度提高至HB 140-190。這可以防止切削過程中出現「粘連」現象，並改善切削加工性能。對於中碳鋼，當正火和退火都可行時，正火通常更經濟便捷。
中碳結構鋼：對於機械性質要求不高的場合，正火可以取代淬火和高溫回火。這簡化了操作流程，並能穩定鋼材的微觀組織和尺寸。
高溫正火（高於Ac3溫度150至200℃）：由於高溫下擴散速率高，此製程可減少鑄件和鍛造件中的成分偏析。高溫正火產生的粗晶粒可透過後續較低溫度的二次正火進行細化。
對於蒸汽渦輪機和鍋爐中使用的某些低碳和中碳合金鋼，通常採用正火處理以獲得貝氏體組織，然後進行高溫回火，從而在 400 至 550°C 下提供良好的抗蠕變性能。
除了鋼製部件和材料外，正火還廣泛用於球墨鑄鐵的熱處理，以獲得珠光體基體，從而提高其強度。
由於空冷是正火製程的典型特徵，因此環境空氣溫度、堆疊方式、氣流以及工件尺寸都會影響最終的顯微組織和性能。正火後的顯微組織也可作為合金鋼的分類方法。通常，根據直徑25毫米的試樣加熱至900℃並空冷後所獲得的顯微組織，將合金鋼分為珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼和奧氏體鋼。
IV. 退火
退火是一種金屬熱處理工藝，它將金屬緩慢加熱到特定溫度，保溫足夠時間，然後以適當的速率冷卻。退火熱處理分為完全退火、不完全退火、應力消除退火。退火材料的機械性質可以透過拉伸試驗或硬度試驗進行檢測。許多鋼材以退火狀態供應。鋼材的硬度測試可以使用洛氏硬度計，而對於較薄的板材、帶材和薄壁管材，可以使用表面洛氏硬度計。
退火的目的
- 改善或消除鑄造、鍛造、軋製和焊接引起的各種微觀結構缺陷和殘餘應力，從而防止工件變形和開裂。
- 軟化工件以便於加工 加工.
- 細化晶粒結構，改善微觀結構，以提升工件的機械性質。
- 為最終熱處理製備微觀結構。
常用退火工藝
完全退火或均勻化退火：用於細化中低碳鋼鑄造、鍛造和焊接過程中產生的粗大、過熱且機械性能較差的組織。工件加熱至比鐵素體完全轉變為奧氏體的溫度高30至50℃，保溫一段時間後，在爐內緩慢冷卻。冷卻過程中，奧氏體重新轉變，從而獲得細化的鋼組織。
球化退火：用於降低鍛造後工具鋼和軸承鋼的高硬度。將工件加熱至比鋼材開始形成奧氏體的溫度高20～40℃，保溫後緩慢冷卻。冷卻過程中，珠光體中的層狀滲碳體轉變為球狀或球形顆粒，降低硬度。
等溫退火：用於降低某些高鎳高鉻合金結構鋼的硬度，以便於機械加工。通常將零件快速冷卻至奧氏體最不穩定的溫度，並保溫適當時間，使奧氏體轉變為屈氏體或索氏體，從而降低硬度。
再結晶退火：用於消除金屬絲材和板材因冷拔和冷軋而產生的加工硬化效應（硬度增加、延展性降低）。加熱溫度通常比鋼開始形成奧氏體的溫度低50至150℃。此溫度範圍對於消除加工硬化效應和軟化金屬至關重要。
石墨化退火：用於將含有大量滲碳體的鑄鐵轉變為具有良好塑性的球墨鑄鐵或可鍛鑄鐵。此製程包括將鑄件加熱至約950℃，保溫一定時間，然後適當冷卻，使滲碳體分解並形成絮狀石墨。
擴散退火或均勻化處理：用於使合金鑄件的化學成分均勻化，從而提高其使用性能。此方法是將鑄件加熱到盡可能高的溫度（但不能熔化），並長時間保溫。這樣可以使合金中的各種元素擴散至均勻分佈，然後再緩慢冷卻鑄件。
應力消除退火：用於消除鋼鑄件和焊接件中的內應力。對於鋼製品，將其加熱至低於奧氏體開始形成溫度 100 至 200°C，保溫一段時間，然後在空氣中冷卻，即可消除內應力。
