金属热处理 (heat treatment of metals)

用加热和冷却改变固态金属及合金性能的工艺。加热温度、保温时间、变温速率和介质的物理化学特性，是金属热处理工艺的4个基本参数。温度的升降引起金属、合金内部微观组织、结构的变化。将工件按设定的“温度-时间”曲线进行加热和冷却，就可使组织、结构改变到预定状态，完成变性任务。如果还对介质的物理化学特性进行某种调控，则还可收到其他变性效果，如改变表面层的化学成分和组织、结构，使表层具有特殊性能。

简史早在公元前5000年以前，在使用自然态金和铜的时期，当这些金属经受冷塑变形加工变得硬而脆时，人们就知道通过加热使其软化，以便进-步作冷塑变形加工。该种热处理方法现今称之为再结晶退火。-进入铁器时代以后，金属热处理技术大大地丰富、发展起来。最早的钢是用碳含量很低的、质地疏松的海绵状铁料经过高温渗碳，并配以反复锻打生产出来的(埃及，公元前9世纪)。

中国最早于战国时期(约为公元前5世纪)发明了白口铸铁局部石墨化的热处理方法(现称铸铁可锻化退火)生产出高韧性的铸铁件。在钢冶金方面，战国时期也有了块炼铁(-种近于无碳的疏松铁料)渗碳制钢技术。出土文物的分析还得知，至迟在西汉时期(公元前2世纪)已有将整块铸铁板、条进行有控制的脱碳处理，获得与之形状相同的钢料。这种独特技艺，可以称为脱碳制钢法。

作为固态金属变性技术的热处理工艺，主要是伴随着钢的应用技术的开发而产生与发展的。与钢的诞生几乎同步，也发明了钢的淬火。《史记•天官书》(公元前2世纪)中有“水与火合为淬”的说法，同期的其他史书还有将淬写为“焯”的，意思都是把烧红的钢件浸入水中急冷。这-2000多年前的金属热处理专用术语-直沿用至今。淬火使钢的硬度达到了金属材料前所未有的高度，它在工具、兵器，以及后来机器零部件上的应用，对铁器时代以来生产力的发展起了不可估量的作用。对中国河北省满城出土的西汉时期文物，著名的刘胜佩剑(公元前113年，见彩图插页第23页)的分析和测定表明，该剑本体用块炼渗碳钢制成，碳含量0.1％～0.6％(不均匀)，硬度为HV220～300；刃部有很薄的-层渗碳淬火层，碳含量大于0.6％，硬度高达HV900。这件体柔刃刚的优质兵器，表明当时已将渗碳和淬火熟练地配合使用，造出了即使以现代眼光看也属成分、组织、性能合理分布的钢制品。

479jin金金属热处理工艺体系的形成经历了漫长的经验积累过程。宋代《太平御览》记载了三国时期浦元造刀的故事。施工地点在蜀国北部，邻近汉水，他却派人到成都附近取蜀江之水作冷却剂，他说，“汉水纯弱，不任淬用，蜀江爽烈，是谓大金之元精”，从中可见当时对淬火介质的选用已十分讲究。从明代《天工开物》中对锉刀等工件制造工艺的记述中，可知当时已形成了硬化(“健”，现写作“健”，即“淬”的另-技术用词)、软化(“退”)及渗碳-淬火等成套的钢热处理工艺。

作为技术科学的-个分支，金属热处理的理论基础是金属学。钢铁材料中的相、组织及其转变理论的建立对本学科之形成起着决定性的作用。19世纪后期发现钢的临界点，揭示出钢热处理加热时于特定温度形成奥氏体(奥氏体化)。本世纪初，表明各种成分的铁碳合金在从室温到熔态广阔范围内的相组成及平衡变态温度的“铁-碳平衡图”问世；20年代，美国人贝茵(E.Bain)发表过冷奥氏体转变的研究成果，将转变依温度高低和相变内容分为珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三大类；30年代美国人格罗斯曼(M.A.GrOSS-mann)完成了钢淬透性(测定和计算)理论的研究。以上述为代表的-系列理论和工艺成果，使金属热处理由经验走向科学。格罗斯曼著《热处理原理》(ThePrinciples0fI-IeatTreatment，ASM()hio，1935)和贝茵著《钢中合金元素》(Alloying Elements in steels，ASM，Ohio，1930)两本教材的问世，是本学科初步形成的标志。

分类  现用的绝大多数金属热处理工艺可归入下属4大类：

(1)-般热处理(又称基础热处理)。改变微观组织结构，但不以改变化学成分为目的.有退火和正火(见钢的正火)、淬火和固溶处理、回火和时效三类。

(2)化学热处理。改变工件(表层)化学成分和组织结构，也可同时改变工件内部的组织结构，有渗碳、渗氮和渗金属等。

(3)表面热处理。物性变化仅发生在表层。除部分化学热处理外，还有表面淬火。

(4)其他。除热(升降温)和化学的方法之外，再加上其他特殊手段。有形变热处理、真空热处理、控制气氛热处理、激光热处理、磁场热处理、离子态化学热处理(如离子渗碳、离子渗金属)等。

作用  在现代工业技术体系中，金属热处理是发挥金属材料潜在性能，满足设计书对金属零部件各种技术性能要求的手段。钢铁、有色金属和各种特殊功能材料的生产及机器、仪器的制造，无不与热处理有关。高质量、高性能的普通钢钢材和几乎全部特殊钢钢材480要经过热处理才出厂，它们约占钢材总量的30％左右。在资源节约紧迫的今天，提高热处理钢材在总量中的份额是钢铁生产企业技术改造的-个重要课题。在机器制造部门，所有重要的受力零部件都要进行以改善力学性能为目的的热处理。如载重汽车上占自重85％的钢铁材料都要经过热处理，其中-半左右需作强韧化处理。工具、模具则100％要经过硬化热处理。在各大、中型冶金和机器制造企业内，热处理车间、分厂是决定产品质量、性能的关键部门。为节约能源和提高处理质量、降低单件成本，在各个机器制造工业集中地区建立了专业性的热处理厂(协作中心)。

展望  在工农业现代化和人均拥有钢铁及其他金属制品的数量不断增长的情况下，对金属制品性能的要求日益提高，数量日益增多。因而金属热处理技术的进步和规模的扩大是不可避免的。提高和稳定处理质量、降低处理成本和环境的保护三个基本要求，将促使金属热处理技术和行业结构向以下三个方面发展：

(1)新型热处理工艺的开发。工程材料性能的提高和品种的增多是永无止境的，这就是研制新热处理工艺的驱动力。新型材料的出现常伴随着对于热处理提出新的要求，促进现有热处理条件的改进。相关领域，如过程冶金、机械，以及物理、化学，尤其核技术的进展更是要求新的金属热处理手段与之相适应。

(2)节能和环境保护。最为人们重视的是真空热处理新技术与设备的开发。真空与惰性气体(氮、氩)、氢及其他具有特定化学活性气体技术相配合，炉子构件品级与质量的改进，使现代真空热处理设备对工件的品种、批量、工艺要求的适应能力越来越高，处理质量及其均-性越来越好。除进行无氧化、无脱碳的保护性加热之外，还可进行化学热处理如渗碳，并大大缩短生产周期。其单件处理的电能消耗和工序成本也比传统工艺和设备低。

(3)热处理产业的社会化。除大中型冶金和机器制造厂将仍按材料及机件种类设立企业内的热处理车间(分厂)外，地区性的热处理协作中心、热处理专业厂将愈益取代那些分散在各制造厂内的热处理网点。热处理行业社会化、专业化的优点是便于施行机械化、自动化、减少人工操作，有利于质量控制和单件处理成本的下降。