名劍干將、莫邪名滿天下。武林至尊，寶刀屠龍，倚天不出，何以爭(zhēng)鋒。
削鐵如泥的它們，當(dāng)時(shí)到底有多牛，無(wú)法考證。但是，根據(jù)當(dāng)時(shí)的冶金和金屬處理能力來(lái)推斷，它們應(yīng)該牛不過(guò)你家的菜刀。
接下來(lái)，這篇干貨滿滿的科普文章就告訴我們，古代著名冷兵器和今天普通菜刀為什么會(huì)有這樣的區(qū)別。
現(xiàn)代生活中能接觸到各種各樣的金屬產(chǎn)品，像鋼橋梁、汽車外殼、菜刀、不銹鋼護(hù)欄、鐵鍋?zhàn)印⒁桌?、鐵榔頭等。我們司空見(jiàn)慣地以為它們性能都差不多吧。其實(shí)它們性能各異，比如橋梁鋼的強(qiáng)度高；菜刀的硬度；鐵鍋?zhàn)幽蜔嵝愿?；易拉罐的延展性高；不銹鋼防腐能力強(qiáng)；汽車外殼的外觀漂亮。
金屬工件要擁有這些滿足我們不同需求的性能，除了通過(guò)選擇合適的合金外，其他幾乎都靠不同的金屬熱處理方法。
01、為什么金屬要進(jìn)行熱處理
說(shuō)到金屬熱處理，就繞不開(kāi)鐵，它是我們地球上最多的金屬，也是應(yīng)用最廣的金屬。純鐵是指含碳量低于0.02%鐵金屬，是一種柔韌而延展性較好的銀白色金屬，有著良好的導(dǎo)磁性，主要用于制發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的鐵芯。鋼是鐵碳合金的總稱，碳質(zhì)量百分比在0.02％和2.11％之間，我們平時(shí)用到的鐵金屬工件，幾乎都是鋼。含碳量高于2.11%的叫生鐵，它脆而硬，加工性能差，就是稱的稱砣多半是生鐵制成。
未經(jīng)熱處理的鐵、鋼和生鐵的強(qiáng)度、剛度和表面硬度、防腐等性能，都很難滿足我們現(xiàn)實(shí)生活中不同的需要。于是，人們絞盡腦汁，不停探索，除合理選用材料和各種成形工藝外，就有了熱處理。所以，熱處理是為了使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，是提高金屬工件性能的有效手段。
02、金屬熱處理是什么
那什么是熱處理呢？
金屬熱處理是將金屬或合金工件放在一定的介質(zhì)中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時(shí)間后，又以不同速度，在不同的介質(zhì)中冷卻，從而改變金屬材料表面或內(nèi)部的顯微組織結(jié)構(gòu)來(lái)控制其性能的一種工藝。
金屬熱處理是機(jī)械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過(guò)改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點(diǎn)是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量。所以，它是機(jī)械制造中的特殊工藝過(guò)程，是機(jī)械零件和工模具制造過(guò)程中的重要工序之一。它可以保證和提高工件的各種性能 ，如耐磨、耐腐蝕等。還可以改善毛坯的組織和應(yīng)力狀態(tài)，以利于進(jìn)行各種冷、熱加工。
例如白口鑄鐵經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間退火處理可以獲得可鍛鑄鐵，提高塑性；齒輪采用正確的熱處理工藝，使用壽命可以比不經(jīng)熱處理的齒輪成倍或幾十倍地提高；另外，價(jià)廉的碳鋼通過(guò)滲入某些合金元素就具有某些價(jià)昂的合金鋼性能，可以代替某些耐熱鋼、不銹鋼；工模具則幾乎全部需要經(jīng)過(guò)熱處理方可使用。
金屬顯微金相組織復(fù)雜，而且在不同的條件下金相會(huì)不同。金相不同，性能就會(huì)不同。而且金相組織可以通過(guò)熱處理進(jìn)行改變和控制。鋼鐵是機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料，鋼鐵的熱處理也是金屬熱處理的主要內(nèi)容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過(guò)熱處理改變其力學(xué)、物理和化學(xué)性能，以獲得不同的使用性能。下圖是鋼鐵主要的幾種金相組織（將鋼材取樣，經(jīng)過(guò)打磨、拋光，最后用特定的腐蝕劑腐蝕顯示后，在金相顯微鏡下觀察到的組織）。
03、機(jī)械熱處理分類
金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學(xué)熱處理三大類，如下圖。
根據(jù)加熱介質(zhì)、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類又可區(qū)分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的金相組織，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業(yè)上應(yīng)用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復(fù)雜，因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。
整體熱處理（Bulk Heat Treatment）
整體熱處理是對(duì)工件整體加熱，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，以改變其圍觀金相機(jī)構(gòu)從而改變整體力學(xué)性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。
退火（Annealing）
退火是將工件加熱到適當(dāng)溫度，根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時(shí)間，然后進(jìn)行緩慢冷卻，目的是使金屬內(nèi)部組織達(dá)到或接近平衡狀態(tài)，或者是使前道工序產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力得以釋放，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進(jìn)一步淬火作組織準(zhǔn)備。以45號(hào)鋼為例，退火后的金相為奧氏體，退火后變得太軟，一般45鋼都不做退火處理。
專業(yè)解釋：將亞共析鋼工件加熱至AC3（加熱時(shí)鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體的終了溫度）以上20-40度，保溫一段時(shí)間后，隨爐緩慢冷卻（或埋在砂中或石灰中冷卻）至500度以下在空氣中冷卻的熱處理工藝。
正火（Normalization）
正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細(xì)，常用于改善材料的切削性能，也有時(shí)用于對(duì)一些要求不高的零件作為最終熱處理。以45號(hào)正火后金相為奧氏體+珠光體。
專業(yè)解釋：將鋼材或鋼件加熱到臨界點(diǎn)AC3（對(duì)于亞共析鋼）或Accm（加熱時(shí)二次滲碳體溶入奧氏體的終了溫度，對(duì)于過(guò)共析鋼）以上30℃-50℃，保溫適當(dāng)時(shí)間后，在自由流動(dòng)的空氣中均勻冷卻的熱處理工藝為正火. 正火后生成亞共析鋼為F+S，共析鋼為S，過(guò)共析鋼為S+Fe3CⅡ正火與完全退火的主要差別在于冷卻速度快些，目的是讓鋼組織正?；喾Q?；幚?。
淬火（Quenching）
淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其他無(wú)機(jī)鹽溶液、有機(jī)水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。后鋼件變硬，但同時(shí)變脆。以45號(hào)鋼為例，很少單單淬火，因?yàn)樗y得到想要的硬度。
專業(yè)解釋：將鋼奧氏體化后的鋼件以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度冷卻，使工件在橫截面內(nèi)全部或一定的范圍內(nèi)發(fā)生馬氏體等不穩(wěn)定組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。
回火（Tempering）
回火是為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650℃的某一適當(dāng)溫度進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的保溫，再進(jìn)行冷卻，這種工藝稱為回火。
專業(yè)解釋：將經(jīng)過(guò)淬火的工件加熱到臨界點(diǎn)AC1（加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度）以下的適當(dāng)溫度保持一定時(shí)間，隨后用符合要求的方法冷卻，以獲得所需要的組織和性能的熱處理工藝。
下面是45號(hào)鋼，幾種熱處理的結(jié)果分析。
溫度升到臨界點(diǎn)后，隨著加熱溫度和冷卻方式的不同，又演變出不同的熱處理工藝。不同的冷卻速度會(huì)析出不同的金相 。
V1 會(huì)析出鐵素體和珠光體；
V2會(huì)析出鐵素體和索氏體；
V3會(huì)析出鐵素體和屈氏體。
當(dāng)冷卻速度達(dá)到V4時(shí)，析出很少的網(wǎng)狀鐵素體和屈氏體，奧氏體則主要轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和屈氏體。
當(dāng)冷卻速度超過(guò)V5時(shí)，則全部轉(zhuǎn)化為馬氏體。
退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，它們常常會(huì)相互結(jié)合，其中的淬火與回火關(guān)系密切，常常配合使用。
調(diào)質(zhì)（Quenching-Tempering）
為了獲得一定的強(qiáng)度和韌性，把淬火和高溫回火結(jié)合起來(lái)的工藝。以45號(hào)鋼為例，淬火后得到馬氏體，接著回火得到索氏體。這樣，就能使材料得到較高的強(qiáng)度, 又有優(yōu)良的韌性、塑性、切削性能。
時(shí)效處理（Aging Treatment）
把某些合金也稱固溶體（在固態(tài)條件下,一種組分內(nèi)溶解了其他組分而形成的單一、均勻的晶態(tài)固體金屬，平時(shí)用的不銹鋼就是典型的固溶體）淬火形成過(guò)飽和固溶體后，將其置于室溫或稍高的適當(dāng)溫度下保持較長(zhǎng)時(shí)間，以提高合金的硬度、強(qiáng)度或電性磁性等。例如，為消除精密量具或模具、零件在長(zhǎng)期使用中尺寸、形狀發(fā)生變化，就需要進(jìn)行時(shí)效處理。
形變熱處理（Ausforming）
把壓力加工形變與熱處理有效而緊密地結(jié)合起來(lái)進(jìn)行，使工件獲得很好的強(qiáng)度、韌性配合的方法， 也相當(dāng)于熱鍛造。最常見(jiàn)的例子，就是老式鐵匠鋪打鐵。
真空熱處理（Vacuum Heat-Treatment）
在負(fù)壓氣氛或真空中進(jìn)行的熱處理稱為真空熱處理，它不僅能使工件不氧化，不脫碳，保持處理后工件表面光潔，提高工件的性能。零件經(jīng)真空熱處理后，畸變小，質(zhì)量高，且工藝本身操作靈活，無(wú)公害。因此真空熱處理不僅是某些特殊合金熱處理的必要手段，而且在一般工程用鋼的熱處理中也獲得應(yīng)用，特別是工具、模具和精密耦件等，經(jīng)真空熱處理后使用壽命較一般熱處理有較大的提高。
表面熱處理（Thermolizing）
表面熱處理是只加熱工件表層，以改變其表層力學(xué)性能的金屬熱處理工藝。為了只加熱工件表層而不使過(guò)多的熱量傳入工件內(nèi)部，使用的熱源須具有高的能量密度，即在單位面積的工件上給予較大的熱能，使工件表層或局部能短時(shí)或瞬時(shí)達(dá)到高溫。表面熱處理的主要方法有火焰淬火和感應(yīng)加熱熱處理，常用的熱源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感應(yīng)電流、激光和電子束等。例如，一些軸類、齒輪和承受變向負(fù)荷的零件，表面具有較高的抗磨損能力，而內(nèi)部又需要很好的韌性和強(qiáng)度。就可以可通過(guò)表面熱處理，使工件整體的性能要求。
化學(xué)熱處理（Thermo-Chemical Treatment）
化學(xué)熱處理是通過(guò)改變工件表層化學(xué)成分、組織和性能的金屬熱處理工藝?；瘜W(xué)熱處理與表面熱處理不同之處是后者改變了工件表層的化學(xué)成分?；瘜W(xué)熱處理是將工件放在含碳、氮或其他合金元素的介質(zhì)（氣體、液體、固體）中加熱，保溫較長(zhǎng)時(shí)間，從而使工件表層滲入碳、氮、硼和鉻等元素。滲入元素后，有時(shí)還要進(jìn)行其他熱處理工藝如淬火及回火?；瘜W(xué)熱處理的主要方法有滲碳、滲氮、滲金屬。
表面改性技術(shù)（surface modified technique）則是采用化學(xué)熱處理和物理方法的方法結(jié)合。改變材料或工件表面的化學(xué)成分或組織結(jié)構(gòu)以提高機(jī)器零件或材料性能的一類熱處理技術(shù)。它包括化學(xué)熱處理（滲氮、滲碳、滲金屬等）；表面涂層（低壓等離子噴涂、低壓電弧噴涂、激光重熔復(fù)合等薄膜鍍層、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積等）和非金屬涂層技術(shù)等。這些用以強(qiáng)化零件或材料表面的技術(shù)，賦予零件耐高溫、防腐蝕、耐磨損、抗疲勞、防輻射、導(dǎo)電、導(dǎo)磁等各種新的特性。使原來(lái)在高速、高溫、高壓、重載、腐蝕介質(zhì)環(huán)境下工作的零件，提高可靠性和延長(zhǎng)使用壽命。最常見(jiàn)得莫過(guò)于家里的不粘鍋。
除了特殊行業(yè)，特殊用途的金屬產(chǎn)品（像齒輪、鑄造件、不粘鍋等），多數(shù)機(jī)械設(shè)計(jì)和制造都不需要進(jìn)行額外的熱處理，因?yàn)殇搹S已經(jīng)替代設(shè)計(jì)方進(jìn)行過(guò)熱處理了，讓機(jī)械用金屬原材料處于熱處理過(guò)的狀態(tài)。機(jī)械設(shè)計(jì)方只需選用就行。
04、金屬熱處理的工藝方法和發(fā)展
說(shuō)了這么多金屬熱處理知識(shí)，我們來(lái)看看世界金屬冶煉和熱處理的發(fā)展歷程。人類不斷的探索，從使用石器，到發(fā)現(xiàn)金屬，提煉金屬，再到金屬熱處理，走過(guò)了漫長(zhǎng)的歷程。
發(fā)展到現(xiàn)在，各個(gè)熱處理步驟熱退火、正火、回火、淬火、滲碳、滲氮等都有了各自的、先進(jìn)的熱處理設(shè)備。像退火爐、正火爐、回火爐、淬火爐、滲碳爐、滲碳爐、真空爐、硝鹽爐、時(shí)效爐、鋁合金熱處理爐等。它們不但能精準(zhǔn)地升、降溫，而且測(cè)控技術(shù)有長(zhǎng)足發(fā)展，主要表現(xiàn)在溫度測(cè)控、氣氛測(cè)控和工藝程序控制等，不斷采用新技術(shù)。先進(jìn)的高質(zhì)量的元器件和儀表陸續(xù)開(kāi)發(fā)出來(lái)，又大量應(yīng)用于熱處理設(shè)備中。
全自動(dòng)感應(yīng)淬火機(jī)床
計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用和控制，幾乎擴(kuò)展到所有先進(jìn)熱處理設(shè)備領(lǐng)域。借在感應(yīng)加熱和燃燒控制領(lǐng)域多年的探索和積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，西門(mén)子工控早已成為金屬熱處理領(lǐng)域的標(biāo)桿。時(shí)序脈沖燃燒控制、時(shí)序脈沖燃燒控制、膨脹式火焰和可遮斷的點(diǎn)火等控制方式，為燃燒設(shè)備制造商提供了可靠的技術(shù)和解決方案。而且燃燒設(shè)備和感應(yīng)加熱正是熱處理所需的熱源。另外，西門(mén)子還為熱處理工藝提供高品質(zhì)的元器件，機(jī)械、電子以及各種傳感器的廣泛組合應(yīng)用到熱處理領(lǐng)域。
熱處理控制系統(tǒng)大致構(gòu)成
例如西門(mén)子840D數(shù)控系統(tǒng)是整套感應(yīng)淬火設(shè)備的控制中心, 控制機(jī)床的運(yùn)行和工件的加熱淬火過(guò)程。這套系統(tǒng)主要由下列部件組成：
這套系統(tǒng)具有以下功能和特點(diǎn)：
1、增加了零件淬火質(zhì)量保證功能。其一它是在CNC 840D控制系統(tǒng)中配置能量監(jiān)視器。利用能等于功率與時(shí)間積分的基本原理通過(guò)顯示器的某一畫(huà)面, 顯示能數(shù)值是否在預(yù)先設(shè)定的能里偏差帶范圍內(nèi)從而判定零件的加熱能量是否在設(shè)定范圍內(nèi)。其二，根據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件加熱淬火不同部位、不同功率需要，程序中可設(shè)定不同功率，大大拓寬了零件的加熱淬火應(yīng)用空間。
2、通過(guò)彩色屏幕的不同畫(huà)面了解設(shè)備運(yùn)行，如全晶體管電源、電機(jī)、淬火液水溫和液位、冷卻系統(tǒng)壓力和溫度，運(yùn)行中工件加熱狀態(tài)如功率大小、能量是否超出偏差帶等狀態(tài)或故障信息。運(yùn)行中一旦發(fā)生故障, 數(shù)控系統(tǒng)以最快的響應(yīng)速度采取措施。第一反應(yīng)是立即阻止程序的繼續(xù)執(zhí)行淬火工藝過(guò)程將被停止，并將故障記憶在故障程序中, 避免零件或機(jī)床出現(xiàn)損壞，與此同時(shí)顯示報(bào)警內(nèi)容。只有在操作者或技術(shù)人員排除故障后, 設(shè)備方可繼續(xù)工作。
3、配有完整的工件淬火程序的輸入、修改等編輯功能，所有工件程序可以存儲(chǔ)在數(shù)控系統(tǒng)中也可以通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)通訊口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，便于工藝人員離機(jī)進(jìn)行工件淬火程序的編輯和處理。當(dāng)機(jī)床關(guān)機(jī)后，最后加工的工件參數(shù)和程序自動(dòng)存儲(chǔ)，以便下次操作調(diào)用。
不同金屬熱處理設(shè)備，控制系統(tǒng)功能也會(huì)存在諸多不同。但控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)大致相當(dāng)。
05、金屬熱處理的未來(lái)
金屬熱處理發(fā)展的未來(lái)會(huì)怎樣？難以預(yù)計(jì)。
隨著3D 打印的技術(shù)的出現(xiàn)和進(jìn)步，也可能會(huì)直接打印出不同和特定金相組織的，滿足不同性能要求的金屬物件。甚至輕易地制造出同一工件上，不同部位具有不同金相組織和不同性能地金屬物件。這也是當(dāng)下3D 打印的技術(shù)瓶頸和3D 打印的發(fā)展方向。
（轉(zhuǎn)載）
