退火
annealing
將金屬緩慢加熱到一定溫度,保持足夠時(shí)間,然后以適宜速度冷卻(通常是緩慢冷卻,有時(shí)是控制冷卻)的一種金屬熱處理工藝.目的是使經(jīng)過(guò)鑄造、鍛軋、焊接或切削加工的材料或工件軟化,改善塑性和韌性,使化學(xué)成分均勻化,去除殘余應(yīng)力,或得到預(yù)期的物理性能.退火工藝隨目的之不同而有多種,如重結(jié)晶退火、等溫退火、均勻化退火、球化退火、去除應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火,以及穩(wěn)定化退火、磁場(chǎng)退火等等.
退火的一個(gè)最主要工藝參數(shù)是最高加熱溫度（退火溫度）,大多數(shù)合金的退火加熱溫度的選擇是以該合金系的相圖為基礎(chǔ)的,如碳素鋼以鐵碳平衡圖為基礎(chǔ)（圖1）.各種鋼(包括碳素鋼及合金鋼)的退火溫度,視具體退火目的的不同而在各該鋼種的Ac3以上、Ac1以上或以下的某一溫度.各種非鐵合金的退火溫度則在各該合金的固相線溫度以下、固溶度線溫度以上或以下的某一溫度.
重結(jié)晶退火 應(yīng)用于平衡加熱和冷卻時(shí)有固態(tài)相變(重結(jié)晶)發(fā)生的合金.其退火溫度為各該合金的相變溫度區(qū)間以上或以內(nèi)的某一溫度.加熱和冷卻都是緩慢的.合金于加熱和冷卻過(guò)程中各發(fā)生一次相變重結(jié)晶,故稱為重結(jié)晶退火,常被簡(jiǎn)稱為退火.
這種退火方法,相當(dāng)普遍地應(yīng)用于鋼.鋼的重結(jié)晶退火工藝是:緩慢加熱到Ac3（亞共析鋼）或Ac1（共析鋼或過(guò)共析鋼）以上30～50℃,保持適當(dāng)時(shí)間,然后緩慢冷卻下來(lái).通過(guò)加熱過(guò)程中發(fā)生的珠光體（或者還有先共析的鐵素體或滲碳體）轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體（第一回相變重結(jié)晶）以及冷卻過(guò)程中發(fā)生的與此相反的第二回相變重結(jié)晶,形成晶粒較細(xì)、片層較厚、組織均勻的珠光體(或者還有先共析鐵素體或滲碳體).退火溫度在Ac3以上（亞共析鋼）使鋼發(fā)生完全的重結(jié)晶者,稱為完全退火,退火溫度在Ac1與Ac3之間 (亞共析鋼)或Ac1與Acm之間（過(guò)共析鋼）,使鋼發(fā)生部分的重結(jié)晶者,稱為不完全退火.前者主要用于亞共析鋼的鑄件、鍛軋件、焊件,以消除組織缺陷（如魏氏組織、帶狀組織等）,使組織變細(xì)和變均勻,以提高鋼件的塑性和韌性.后者主要用于中碳和高碳鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼的鍛軋件.此種鍛、軋件若鍛、軋后的冷卻速度較大時(shí),形成的珠光體較細(xì)、硬度較高；若停鍛、停軋溫度過(guò)低,鋼件中還有大的內(nèi)應(yīng)力.此時(shí)可用不完全退火代替完全退火,使珠光體發(fā)生重結(jié)晶,晶粒變細(xì),同時(shí)也降低硬度,消除內(nèi)應(yīng)力,改善被切削性.此外,退火溫度在Ac1與Acm之間的過(guò)共析鋼球化退火,也是不完全退火.
重結(jié)晶退火也用于非鐵合金,例如鈦合金于加熱和冷卻時(shí)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,低溫為 α相(密排六方結(jié)構(gòu)),高溫為 β相（體心立方結(jié)構(gòu)）,其中間是“α＋β”兩相區(qū),即相變溫度區(qū)間.為了得到接近平衡的室溫穩(wěn)定組織和細(xì)化晶粒,也進(jìn)行重結(jié)晶退火,即緩慢加熱到高于相變溫度區(qū)間不多的溫度,保溫適當(dāng)時(shí)間,使合金轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嗟募?xì)小晶粒；然后緩慢冷卻下來(lái),使β相再轉(zhuǎn)變?yōu)棣料嗷颚粒聝上嗟募?xì)小晶粒.
等溫退火 應(yīng)用于鋼和某些非鐵合金如鈦合金的一種控制冷卻的退火方法.對(duì)鋼來(lái)說(shuō),是緩慢加熱到 Ac3（亞共析鋼）或 Ac1（共析鋼和過(guò)共析鋼）以上不多的溫度,保溫一段時(shí)間,使鋼奧氏體化,然后迅速移入溫度在A1以下不多的另一爐內(nèi),等溫保持直到奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑢訝钪楣怏w（亞共析鋼還有先共析鐵素體；過(guò)共析鋼還有先共析滲碳體）為止,最后以任意速度冷卻下來(lái)(通常是出爐在空氣中冷卻).等溫保持的大致溫度范圍在所處理鋼種的等溫轉(zhuǎn)變圖上A1至珠光體轉(zhuǎn)變鼻尖溫度這一區(qū)間之內(nèi)(見(jiàn)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖)；具體溫度和時(shí)間,主要根據(jù)退火后所要求的硬度來(lái)確定（圖2）.等溫溫度不可過(guò)低或過(guò)高,過(guò)低則退火后硬度偏高；過(guò)高則等溫保持時(shí)間需要延長(zhǎng).鋼的等溫退火的目的,與重結(jié)晶退火基本相同,但工藝操作和所需設(shè)備都比較復(fù)雜,所以通常主要是應(yīng)用于過(guò)冷奧氏體在珠光體型相變溫度區(qū)間轉(zhuǎn)變相當(dāng)緩慢的合金鋼.后者若采用重結(jié)晶退火方法,往往需要數(shù)十小時(shí),很不經(jīng)濟(jì)；采用等溫退火則能大大縮短生產(chǎn)周期,并能使整個(gè)工件獲得更為均勻的組織和性能.等溫退火也可在鋼的熱加工的不同階段來(lái)用.例如,若讓空冷淬硬性合金鋼由高溫空冷到室溫時(shí),當(dāng)心部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體之時(shí),在已發(fā)生了馬氏體相變的外層就會(huì)出現(xiàn)裂紋;若將該類鋼的熱鋼錠或鋼坯在冷卻過(guò)程中放入700℃左右的等溫爐內(nèi),保持等溫直到珠光體相變完成后,再出爐空冷,則可免生裂紋.
含β相穩(wěn)定化元素較高的鈦合金,其β相相當(dāng)穩(wěn)定,容易被過(guò)冷.過(guò)冷的β相,其等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線（圖3）與鋼的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖相似.為了縮短重結(jié)晶退火的生產(chǎn)周期并獲得更細(xì)、更均勻的組織,亦可采用等溫退火.
均勻化退火 亦稱擴(kuò)散退火.應(yīng)用于鋼及非鐵合金（如錫青銅、硅青銅、白銅、鎂合金等）的鑄錠或鑄件的一種退火方法.將鑄錠或鑄件加熱到各該合金的固相線溫度以下的某一較高溫度,長(zhǎng)時(shí)間保溫,然后緩慢冷卻下來(lái).均勻化退火是使合金中的元素發(fā)生固態(tài)擴(kuò)散,來(lái)減輕化學(xué)成分不均勻性（偏析）,主要是減輕晶粒尺度內(nèi)的化學(xué)成分不均勻性（晶內(nèi)偏析或稱枝晶偏析）.均勻化退火溫度所以如此之高,是為了加快合金元素?cái)U(kuò)散,盡可能縮短保溫時(shí)間.合金鋼的均勻化退火溫度遠(yuǎn)高于Ac3,通常是1050～1200℃.非鐵合金錠進(jìn)行均勻化退火的溫度一般是“0.95×固相線溫度(K)”,均勻化退火因加熱溫度高,保溫時(shí)間長(zhǎng),所以熱能消耗量大.
球化退火 只應(yīng)用于鋼的一種退火方法.將鋼加熱到稍低于或稍高于Ac1的溫度或者使溫度在A1上下周期變化,然后緩冷下來(lái).目的在于使珠光體內(nèi)的片狀滲碳體以及先共析滲碳體都變?yōu)榍蛄?均勻分布于鐵素體基體中(這種組織稱為球化珠光體).具有這種組織的中碳鋼和高碳鋼硬度低、被切削性好、冷形變能力大.對(duì)工具鋼來(lái)說(shuō),這種組織是淬火前最好的原始組織.
球化退火的具體工藝（圖4）有：①普通（緩冷）球化退火（圖4a）,緩冷適用于多數(shù)鋼種,尤其是裝爐量大時(shí),操作比較方便,但生產(chǎn)周期長(zhǎng)；②等溫球化退火（圖4b）,適用于多數(shù)鋼種,特別是難于球化的鋼以及球化質(zhì)量要求高的鋼（如滾動(dòng)軸承鋼）；其生產(chǎn)周期比普通球化退火短,不過(guò)需要有能夠控制共析轉(zhuǎn)變前冷卻速率的爐子；③周期球化退火（圖4c）,適用于原始組織為片層狀珠光體組織的鋼,其生產(chǎn)周期也比普通球化退火短,不過(guò)在設(shè)備裝爐量大的條件下,很難按控制要求改變溫度,故在生產(chǎn)中未廣泛采用；④低溫球化退火（圖4d）,適用于經(jīng)過(guò)冷形變加工的鋼以及淬火硬化過(guò)的鋼（后者通常稱為高溫軟化回火）；⑤形變球化退火,形變加工對(duì)球化有加速作用,將形變加工與球化結(jié)合起來(lái),可縮短球化時(shí)間.它適用于冷、熱形變成形的鋼件和鋼材（如帶材）（圖4e是在Acm或Ac3與Ac1之間進(jìn)行短時(shí)間、大形變量的熱形變加工者；圖4f是在常溫先予以形變加工者；圖4g是利用鍛造余熱進(jìn)行球化者）.
再結(jié)晶退火 應(yīng)用于經(jīng)過(guò)冷變形加工的金屬及合金的一種退火方法.目的為使金屬內(nèi)部組織變?yōu)榧?xì)小的等軸晶粒,消除形變硬化,恢復(fù)金屬或合金的塑性和形變能力（回復(fù)和再結(jié)晶）.若欲保持金屬或合金表面光亮,則可在可控氣氛的爐中或真空爐中進(jìn)行再結(jié)晶退火.
去除應(yīng)力退火 鑄、鍛、焊件在冷卻時(shí)由于各部位冷卻速度不同而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,金屬及合金在冷變形加工中以及工件在切削加工過(guò)程中也產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力.若內(nèi)應(yīng)力較大而未及時(shí)予以去除,常導(dǎo)致工件變形甚至形成裂紋.去除應(yīng)力退火是將工件緩慢加熱到較低溫度（例如,灰口鑄鐵是500～550℃,鋼是500～650℃）,保溫一段時(shí)間,使金屬內(nèi)部發(fā)生弛豫,然后緩冷下來(lái).應(yīng)該指出,去除應(yīng)力退火并不能將內(nèi)應(yīng)力完全去除,而只是部分去除,從而消除它的有害作用.
還有一些專用退火方法,如不銹耐酸鋼穩(wěn)定化退火；軟磁合金磁場(chǎng)退火；硅鋼片氫氣退火；可鍛鑄鐵可鍛化退火等.
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退火 annealing
將工件加熱到預(yù)定溫度,保溫一定的時(shí)間后緩慢冷卻的金屬熱處理工藝.退火的目的在于：①改善或消除鋼鐵在鑄造、鍛壓、軋制和焊接過(guò)程中所造成的各種組織缺陷以及殘余應(yīng)力,防止工件變形、開(kāi)裂.②軟化工件以便進(jìn)行切削加工.③細(xì)化晶粒,改善組織以提高工件的機(jī)械性能.④為最終熱處理（淬火、回火）作好組織準(zhǔn)備.常用的退火工藝有：①完全退火.用以細(xì)化中、低碳鋼經(jīng)鑄造、鍛壓和焊接后出現(xiàn)的力學(xué)性能不佳的粗大過(guò)熱組織.將工件加熱到鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度以上30～50℃,保溫一段時(shí)間,然后隨爐緩慢冷卻,在冷卻過(guò)程中奧氏體再次發(fā)生轉(zhuǎn)變,即可使鋼的組織變細(xì).②球化退火.用以降低工具鋼和軸承鋼鍛壓后的偏高硬度.將工件加熱到鋼開(kāi)始形成奧氏體的溫度以上20～40℃,保溫后緩慢冷卻,在冷卻過(guò)程中珠光體中的片層狀滲碳體變?yōu)榍驙?從而降低了硬度.③等溫退火.用以降低某些鎳、鉻含量較高的合金結(jié)構(gòu)鋼的高硬度,以進(jìn)行切削加工.一般先以較快速度冷卻到奧氏體最不穩(wěn)定的溫度,保溫適當(dāng)時(shí)間,奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橥惺象w或索氏體,硬度即可降低.④再結(jié)晶退火.用以消除金屬線材、薄板在冷拔、冷軋過(guò)程中的硬化現(xiàn)象（硬度升高、塑性下降）.加熱溫度一般為鋼開(kāi)始形成奧氏體的溫度以下50～150℃ ,只有這樣才能消除加工硬化效應(yīng)使金屬軟化.⑤石墨化退火.用以使含有大量滲碳體的鑄鐵變成塑性良好的可鍛鑄鐵.工藝操作是將鑄件加熱到950℃左右 ,保溫一定時(shí)間后適當(dāng)冷卻 ,使?jié)B碳體分解形成團(tuán)絮狀石墨.⑥擴(kuò)散退火.用以使合金鑄件化學(xué)成分均勻化,提高其使用性能.方法是在不發(fā)生熔化的前提下 ,將鑄件加熱到盡可能高的溫度,并長(zhǎng)時(shí)間保溫,待合金中各種元素?cái)U(kuò)散趨于均勻分布后緩冷.⑦去應(yīng)力退火.用以消除鋼鐵鑄件和焊接件的內(nèi)應(yīng)力.對(duì)于鋼鐵制品加熱后開(kāi)始形成奧氏體的溫度以下100～200℃,保溫后在空氣中冷卻,即可消除內(nèi)應(yīng)力.