金属材料热处理的本质浅析

通常热处理是通过对金属材料进行升温加热、保温一段时间后冷却，获得需要的使用性能的一种加工工艺。具体地说，钢铁材料的热处理就是正火、淬火、退火和回火；而对有色金属，如铝合金、钛合金，则是固溶、淬火、时效和退火。

明明都是一样的热处理，为什么会有这么多的不同叫法？这主要是因为以钛合金为代表的有色金属，其热处理过程中的变化比较复杂，不仅涉及了同素异构的转变，还有合金元素的扩散相变和马氏体相变等，并且很多热处理的机理还未形成共识，不能简单地套用“四把火”来说明。下面本文结合钢、铝合金和钛合金的常规热处理工艺，来探讨金属材料的热处理本质。

02热处理的定义

热处理是通过对金属材料进行升温加热、保温、冷却，使用金属的组织结构发生变化，从而获得需要的使用性能的一种材料加工工艺。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，改善工件的使用性能。例如白口铸铁经过长时间退火处理可以获得可锻铸铁，提高塑性；齿轮采用正确的热处理工艺，使用寿命可以比不经热处理的齿轮成倍或几十倍地提高；另外，价廉的碳钢通过渗入某些合金元素就具有某些价昂的合金钢性能，可以代替某些耐热钢、不锈钢；工模具则几乎全部需要经过热处理方可使用。

合金的显微组织复杂，经过不同的热处理条工艺得到的显微组织也会不同，因而其性能也就不同。

加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得需要的组织。由于相或组织的转变需要一定的时间，因此当金属工件达到加热温度时，还需在此温度保持一定时间，使相变转变完全，这段时间称为保温时间。

冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬，这是因为空硬钢加热后在正常的空气冷却条件下能够发生马氏体相变。

03热处理的“四把火”

钢铁材料的“四把火”中，除了淬火（非扩散相变）外，其它三把火（退火、正火和回火）都有扩散或半扩散相变。

淬火适用于黑色金属和有色金属，其工艺一般是将工件加热保温后，在水、油或无机盐等淬火介质中快速冷却。淬火后金属材料变硬，但同时会变脆（对钛合金，由于淬火后其硬度变化不大，因此一般称其淬火工艺为固溶）。淬火与其它热处理的比较，其主要特征是快速冷却、有马氏体相变且硬度增加。

为了消除钢铁材料的淬火脆性，一般需要及时进行回火处理。回火与淬火联系密切，常常配合使用、缺一不可。回火是将经过淬火的工件重新加热到适当温度，保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理工艺，本质上属于退火，其效果同退火也很相似，只是得到的显微组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理（正火一般采用空冷，经济性较淬火+回火要好）。

对钢铁材料，回火是为了降低钢件的淬火脆性；对铝、钛等合金，淬火后合金的强度、硬度并没有明显变化，因此一般称为固溶处理，固溶后随之进行时效处理。这些不同名称都是习惯造成的。另一方面是钢铁材料的热处理工艺发展了上百年，很多工艺都形成了统一认识，有专有的名词来进行区分，而钛合金的热处理工艺发展较晚，很多机理未形成共识，缺乏权威专业的定义，所以其热处理工艺的名称并不统一、且较为笼统，既有固溶+时效、双重时效等专业性名词，也有退火、双重退火、三重退火等通俗叫法。

退火的通用定义是指将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却(通常是缓慢冷却，有时是控制冷却) 。其本质是使金属内部组织达到或接近平衡状态（有扩散相变），获得良好的工艺性能和使用性能，包括去应力退火、再结晶退火（之前需要冷变形）和均匀化退火。

04有色金属的热处理

有色金属及合金最常用的热处理方法有：退火、固溶处理/淬火、时效和形变热处理。其中，退火工艺与钢的退火完全一样，主要目的是消除残余应力、成分不均匀或组织不稳定等缺陷。

固溶处理/淬火是获得过饱和固溶体的热处理方法，即将合金加热到第二相能完全或最大限度地溶入基体的温度，保温一段时间后，以快于第二相析出的速度冷却（淬火）的热处理工艺。与钢的淬火+回火组合相似，有色金属进行固溶/淬火处理后，一般会进行时效处理。

时效是指有色金属淬火后形成的亚稳定组织，在室温或加热（远低于淬火温度）时会发生固溶体分解和析出过剩溶质原子的这一过程即时效。有色金属在固溶处理后，塑性和耐蚀性一般都显著提高，而硬度、强度则没有明显的变化，如铝合金、钛合金在固溶后强度变化并不大，需要进行时效处理提高强度，以及组织的稳定性和成分均匀性。

形变热处理是将塑性变形和热作用结合起来的热处理方法，由于塑性变形能改善合金内部晶体缺陷，加热保温能发生同素异构体的转变，因此形变热处理能显著改变合金的组织与结构，并获得所需的力学和物理性能，与单一的热处理或变形加工相比，形变热处理能够获得更好的性能。

05热处理的归类

从热处理工艺的本质，几乎所有的热处理都是通过三种方式进行的：

1）无相变的热处理，如再结晶，一般处理工艺为经过冷变形后在中高温退火，这种处理方式对于所有的合金都是适用的；

2）有同素异构体相变的热处理，这包括淬火时的切变转变（马氏体和类马氏体转变）和时效时的扩散转变；

3）其它相变的热处理，如共析和有序化转变，共析转变可以发生在退火和时效两个过程中，有序化转变一般只发生在时效过程中（此类转变时间较长）。

按照上述热处理的分类思想，将金属材料的所有热处理分为两个阶段，即前一阶段的淬火或固溶（形成过饱和固溶体），后一阶段的回火/退火或时效（固溶体分解或溶质析出）。因此，金属材料的热处理工艺可以被分为三大类：淬火＋回火；固溶＋时效；淬火＋时效。下面以钢、铝合金和钛合金的热处理分别予以说明。

06淬火＋回火

淬火＋回火应用最典型的就是钢的热处理，工艺过程为将合金加热到相变点附近位置并保温一段时间，然后进行快速冷却，通过切变（马氏体相变）形成过饱和固溶体，在回火的过程中，使过饱和固溶体中的合金元素重新析出，形成中间相和化合物。

该热处理的主要特征：合金在淬火过程中发生非扩散转变的马氏体相变，即发生同素异构切变，合金硬度、强度急剧升高，塑性、韧性急剧降低，在随后回火过程中，由于固溶相的析出，合金硬度、强度降低，塑性、韧性升高。

至于具体的工艺参数，比如淬火温度、淬火保温时间、淬火介质、回火温度、回火时间等，不同类型的钢种，其对应的工艺参数均有一定的差别。

07固溶＋时效

固溶＋时效应用最典型就是铝合金的热处理，即将合金加热到低于熔点的某个温度，保温一段时间，然后快速冷却（铝合金相对于钢冷速要稍慢一些），形成过饱和固溶体，随后再在稍低的温度下进行时效。其主要特征是在固溶快冷过程中没有发生相变，合金的力学性能变化不大，在随后的时效过程中由于中间相的析出，合金硬度、强度升高，塑性、韧性降低。

针对具体牌号的铝合金，其对应的工艺参数（固溶温度、保温时间、时效温度和时间）也有一定差别。

淬火＋时效应用典型例子是钛合金的热处理，其重要特征是淬火过程中发生了马氏体相变，即同素异构转变，但与钢相反，钛合金的塑性、韧性稍有升高，硬度、强度稍有降低。在随后时效过程中，由于细小时效α相的生成，合金硬度、强度升高，塑性、韧性降低。

钛合金热处理的具体工艺参数较钢、铝合金更为复杂，这主要是因为合金元素种类更多、性质差别大，对(α＋β)型和近β型钛合金，常见的热处理工艺有退火、双重退火或固溶+时效等。

09淬火与固溶的辨析

对于上述三类热处理，它们的基本原理都是相通的，即在高温保温过程中，使合金元素固溶到基体中，然后在急冷过程中发生非平衡转变，形成过饱和固溶体，随后的时效使过饱和度弱化，析出第二相。之所以有淬火和固溶、回火和时效的区别，主要还是人们根据其材料性质的不同，以及它们所产生的力学性能效果不同而约定俗成的。

淬火和固溶的区别在于是否发生非扩散的同素异构转变（马氏体相变），凡是在急冷过程中发生非扩散的同素异构转变就称为淬火，而只发生过饱和固溶就称为固溶。钢和钛合金在淬火过程中都发生非扩散的同素异构转变，即钢由面心立方的奥氏体相转变为体心立方的铁素体相，钛合金由体心结构的β态转变为六方结构的α态，而铝合金没有这种同素异构转变。因此，对钢来说是淬火，对铝合金、钛合金来说则是固溶。

                                                                                                         10回火与时效的辨析

回火和时效的区别在于发生的相变类型不同，钢的回火（C原子扩散，碳化物析出，硬度降低），通常与淬火配合使用，其结果是使合金的硬度、强度下降，塑性、韧性升高；而时效（合金元素扩散，生成有序相金属间化合物，沉淀强化明显），一般与固溶配合使用，则使合金的硬度、强度升高，塑性、韧性降低。可以认为，凡是在淬火/固溶后能使合金硬度、强度下降，塑性、韧性升高的较低温度保温都叫回火，有相反的结果就叫时效。

回火和时效产生这样的结果主要还是与金属固溶体的性质有关，合金在固溶后时效的过程中存在硬度竞争的关系。在时效过程中，由于第二相的析出，合金过饱和度下降，硬度下降，塑性、韧性升高；但是析出的第二相形成沉淀强化，又造成硬度、强度升高，塑性、韧性降低。这样就看哪种机制起主要作用，时效后的力学性能则表现为哪个方面，几乎所有的金属在时效过程中都存在着这两方面的竞争现象。一般来说，形成间隙固溶体的合金在随后的时效过程中硬度都降低，置换固溶体则相反。以钢为例，在固溶过程中由于C原子半径小，且为主要的合金元素，含量多，基本都形成间隙固溶体，具有很高的强化效果，而在随后的时效过程中虽然C原子的析出形成了一些碳化物，起到一些强化效果，但不足以补偿过饱和度下降而造成的硬度损失，所以它的时效称为回火。从这个意义上说，回火可以定义为间隙固溶原子的时效析出。

与上述钢的回火不同，铝合金在固溶过程中基本都形成置换固溶体，冷却只能是有限强化，即强化效果不显著。随后的时效析出大量第二相，沉淀强化效果强，相对于固溶析出的硬度减小，沉淀强化起主要作用，所以在时效后表现出硬度、强度升高，塑性、韧性降低的趋势。当然在铝合金中也存在这种间隙固溶，但C、O等原子半径小的元素一般被作为杂质，在铝合金中含量很低，所以回火基本不能表现出来，可以忽略。

对于钛合金，在淬火后，钛合金发生马氏体相变，由β相转变为a＇相或a＂相，发生同素异构体转变，随后的时效过程中a＇相和a＂相分解，生成α相、β相和一些中间化合物，合金的硬度也随之升高，所以钛合金的热处理是淬火＋时效。

回火过程对于合金来说一般是必须有的，而时效则视合金要求可有可无。这主要还是与固溶方式有关，间隙固溶造成的晶格畸变能大，合金在淬火冷却过程中形成了很大的内能，合金处于高的能量状态，这个能如果足够大的话可以造成工件的开裂，这就是淬火裂纹，这也是要选择淬火介质的原因；这些内能如果不进行回火释放，对合金的性能将产生很大的不利影响，所以必须进行回火。而置换固溶，相对来说晶格畸变能较小，合金处于较低的能量状态，并且合金固溶态相对于时效态来说有较好的塑性，所以很多情况下使用固溶状态（如不能热处理强化的α型钛合金，在固溶后可直接使用，无需时效）。

1

0-1 回火与时效

10-1 回火与时效