黑色金属的热处理工艺

我试图找出有关黑色金属热处理过程的信息，作为涉及制作螺丝刀的项目的一部分。这包括：

硬化，退火，回火，碳化和淬火

在热处理过程的每个阶段，金属的原子结构会发生什么变化？

为您提供一个非常简化的过程概述。如果我们假设一个简单的碳钢，例如典型的弹簧钢。

最重要的是要了解钢的临界温度，其晶体结构发生变化，大约在800摄氏度左右，但不同的合金会有所不同，大致相当于从红色到黄色的变化。

然后将钢以不同的速率从该温度冷却，以得到不同的结果。

• 退火：通过非常缓慢地冷却，例如通过填充在绝缘材料中或在温度控制的烘箱中，钢变得更柔软和更具延展性。该过程还可以减轻加工硬化和残余应力。
• 硬化：如果钢快速冷却，例如通过在油中淬火，则需要具有高硬度和高拉伸强度的结构，但是在这种情况下它非常脆并且通常需要回火才有用。
• 回火：包括加热到特定温度（通常在170-300℃范围内），这样可以降低脆性并提高韧性，精确控制该温度可以为不同应用产生最佳的硬度和韧性平衡。 - 正常化：钢被加热到临界温度并允许在空气中冷却，这既不硬化也不完全退火钢，但改善了晶粒结构，提高了强度和韧性。

渗碳可适用于从原材料生产钢到表面硬化等表面硬化工艺的许多工艺。

注意：精确的温度控制在热处理的各个方面都非常重要，在大多数情况下，研究给定等级钢所需的精确方法和特定温度非常重要。

通常，具有较高碳含量的钢将更硬并且在热处理后具有更高的拉伸强度，但可能不如中碳钢那么坚韧。碳含量低于0.4％的钢不会显着硬化。

加工硬化

金属通过原子层之间的剪切塑性变形。然而，同时剪切整个原子平面会产生巨大的压力。相反，垂直于剪切方向和剪切平面的半平面原子被推动远离剪切平面一个原子半径，在剪切平面处形成位错。通过以类似于英制蜗杆的方式施加剪切应力，可以容易地移动位错。随着位错的移动，它们会陷入其他缺陷（尤其是其他位错，晶界和硬质夹杂物），需要更大的压力才能使它们保持运动。虽然导致加工硬化的完整原子级过程尚未完全理解（尽管存在诸如位错钉扎和Frank-Read源之类的理论），随着塑性变形的增加，位错增加。随着它们密度的增加，它们往往会更多地相互碰撞，需要更大的应力来继续变形，从而导致应变硬化。因此，随着塑性变形或加工的增加，延展性降低并且屈服强度增加。

退火

位错使晶体局部变形，产生应变场，储存能量。结果，位错增加了晶体中可用的自由能。自由能驱动自发过程，在这种情况下，通过去除位错来减少应变能。金属晶体也有空位，或缺少原子，它们可以与位错相互作用，将它们移动到晶体表面，在那里它们很容易被消灭。如果两个相对的（向上与向下）半平面相遇，则位错也可能相互湮灭。升高的温度导致位错去除过程以指数方式更快地发生，最终在几分钟甚至几秒内发生，这取决于金属和截面厚度。由于位错密度降低，金属的性质与加工硬化的性质相反：屈服强度降低而延展性增加。

回火

回火是一种独特的过程，因为它几乎专门用于马氏体钢。该术语还可用于其他材料，如玻璃和一些高性能聚合物。如果可硬化的钢被足够快地淬火，则形成的微观结构包含马氏体。马氏体由于在高温下钢的奥氏体相中的碳溶解度而形成。铁素体具有非常低的碳溶解度，因此随着温度降低，碳继续扩散出富铁相。如果冷却速度慢，则碳能够扩散出来并形成渗碳体。如果冷却速度足够快，则扩散过程太慢并且奥氏体转变为马氏体而不是铁素体，从而在马氏体晶体中捕获碳。铁素体具有BCC晶格，而马氏体由于捕获的碳原子而具有应变BCT晶格。转变的突然体积变化，在晶粒中产生内应力，引起快速的晶粒内加工硬化。结果，马氏体钢的强度高，延展性低，使其变脆。回火实际上是退火过程，减少了转变引起的加工硬化的影响，并恢复了一些延展性。有趣的是，精心设计的回火计划可以在不显着降低强度的情况下恢复显着的延展性。恢复的延展性是由于位错密度的降低，而保持的强度是由于碳应变BCT晶格。通过应变晶格移动位错需要更多的压力。如果回火时间过长或温度过高，碳会从马氏体中扩散出来，形成铁素体和珠光体，并使非马氏体钢的强度和延展性恢复。

淬火

如上所述，淬火对于生产马氏体是有用的，但也可用于生产其他微观结构组分，包括贝氏体，珠光体和上述所有组合，根据TTT图，也称为等温转换图。通过将钢部件的温度快速降低到特定温度并将其保持在那里，可以安排热处理以利用淬火。这种淬火和保持处理允许形成一种特定的微观结构，如TTT所示，而不是其他微观结构。当然，如果这样的温度高于水的沸点，则必须使用另一种介质，例如加热的油。通过猝灭，原子迁移率呈指数下降，防止或减缓基于扩散的过程。珠光体和贝氏体的形成都是基于扩散的，而马氏体是无扩散的。具体而言，马氏体要求碳扩散最小。

渗碳

渗碳是一种基于扩散的工艺，通过该工艺在高温下将碳植入金属中。到目前为止，您可能会猜测温度升高会使过程以指数方式加快。还可以基于外部碳源浓度和处理所花费的时间来控制该过程。在金属中形成碳梯度，在表面具有最高浓度并向内减少。如在具有马氏体的回火部分中所指出的，较高的碳含量使铁晶格变形，增加内部应力，阻碍位错移动性和增加强度。更高的强度还与更高的硬度和最终更高的耐磨性相关。但是要注意，马氏体不会因渗碳而形成，而是现有的BCC晶格变得非常紧张。诸如齿轮的零件通常由相对低碳的钢制成，然后进行渗碳。这样就形成了坚硬耐磨的钢壳，围绕着一个延展性，耐损伤的核心，可以限制通孔。这样表面可能会磨损和碎裂，但整个齿轮不会破裂。相关的过程是氮化，使用氮气代替碳。一些金属在一种或两种材料的低浓度下表现出极端的脆性，因此并非所有金属都可以通过这种方式加强。

最后的笔记

虽然上述大多数已经应用于钢，但是这些概念通常可以广泛应用。加工硬化和退火适用于室温和高于室温的所有充分不纯的金属，但有一些例外（镓和汞弹簧）。与含有甚至轻微（> 0.1％）杂质的金属一样，“纯”金属也表现出异常高的延展性，单晶也是如此。六个细金可以在室温下无限制地工作，因为位错会像你创造的那样快速地消灭。纯铁在室温下几分钟内退火。然而，即使0.01％的碳杂质也足以将每小时1小时的退火温度提高到数百摄氏度。

据我所知，回火通常仅适用于金属领域的马氏体钢。一些镍合金能够形成无扩散的马氏体相，如果它们在商业上被广泛使用，我认为回火也适用于它们。

淬火适用于任何需要快速冷却的金属，作为热处理计划的一部分。

渗碳适用于可能需要在晶格中注入碳原子的任何金属。铝和金不适合渗碳，因为它们几乎没有溶解性。氮化与渗碳的过程相同，但与氮气相同。其他非金属元素气体通常对所有性质，尤其是氧气和氢气都是有害的。氢气几乎使每种金属都非常脆，氧气会氧化金属。