在第三章第一節(jié)中已經(jīng)介紹了金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)、基本性能、常用材料的特點(diǎn)等基本知識(shí)，在這里將接續(xù)第三章的內(nèi)容介紹另一部分金屬材料的基本知識(shí)，它包括材料的冶煉方法、熱處理方法及加工方法等。這些知識(shí)是工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常應(yīng)用的基礎(chǔ)知識(shí)，它們都無不與材料的性能有著密切的關(guān)系。由于這方面的內(nèi)容與金屬構(gòu)件制造的關(guān)系比較密切，故作為金屬材料的基本知識(shí)之二特放在本節(jié)進(jìn)行介紹。
對(duì)材料性能的評(píng)定技術(shù)即檢查試驗(yàn)技術(shù)也是工程設(shè)計(jì)中必不可少的基本知識(shí)，只有在材料工程師對(duì)各種檢查試驗(yàn)知識(shí)了解的基礎(chǔ)上，才能結(jié)合使用工況而提出合理的檢查試驗(yàn)要求。由于檢測(cè)技術(shù)也與金屬構(gòu)件制造的關(guān)系比較密切，故也將它放在本章里進(jìn)行介紹。但考慮到各節(jié)內(nèi)容的均衡和它的相對(duì)獨(dú)立性，而將它放在下一節(jié)中介紹。
一、冶煉方法及其對(duì)材料性能的影響
有色金屬與黑色金屬的冶煉方法差異較大，而且前者的冶煉過程要復(fù)雜的多，故在此不再作介紹，僅就黑色金屬的冶煉方法進(jìn)行介紹。常用的黑色金屬冶煉方法有轉(zhuǎn)爐、純氧頂吹轉(zhuǎn)爐、平爐、電弧爐等方法。不同的冶煉方法采用的熱源、氧化劑等不同，生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本也不同，而得到的材料質(zhì)量也不同。應(yīng)該說，冶煉對(duì)材料質(zhì)量的影響是先天性的，而后續(xù)的加工方法和熱處理等只能在此質(zhì)量的基礎(chǔ)上去進(jìn)行有限度地改善或取舍。因此，材料工程師在了解各種冶煉方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的使用條件，提出合理的冶煉方法要求，對(duì)管道設(shè)計(jì)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性是很有意義的。
煉鋼的主要任務(wù)是根據(jù)所煉鋼種和對(duì)質(zhì)量的要求，把鐵或廢鋼中多余的碳和雜質(zhì)元素脫掉，并加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪厥蛊涑蔀樗枰慕饘俨牧稀．?dāng)原料為生鐵時(shí)，由于它的含碳量和雜質(zhì)元素較多，故其主要任務(wù)是脫碳和脫雜。
現(xiàn)代的煉鋼原理主要是利用氧在高溫下使生鐵中的碳和雜質(zhì)得到氧化，進(jìn)而作為煉渣或廢氣排掉。其反應(yīng)式為：
2Fe + O2 ® FeO
Si + 2FeO ® SiO2 + 2Fe + 熱量
Mn + FeO ® MnO + Fe + 熱量
C + FeO ® CO + Fe － 熱量
C + O2 ® CO2 － 熱量
2P + 2FeO ® P2O5 + 5Fe + 熱量
Fe + S ® FeS － 熱量
Mn + S ® MnS － 熱量
Mn + FeS ® MnS + Fe + 熱量
最后剩余的FeO通過加入脫氧劑如鋁、硅而將鐵還原。對(duì)于由生鐵直接煉鋼的情況，煉鋼過程將有大量的煉渣（SiO2、MnS等）和廢氣（CO、CO2等）排除，故由生鐵直接煉成的鋼材其化學(xué)成分偏差較大，非金屬物夾雜及氣孔都較嚴(yán)重，而且脫硫效果不好。對(duì)于由廢鋼作為原材料煉鋼的情況，其脫碳、脫雜任務(wù)較輕，造渣量少，非金屬物夾雜和氣孔較少，而且化學(xué)成分較容易控制，故得到的鋼材質(zhì)量較好。因此，對(duì)于工程上應(yīng)用的不同種類鋼材和有不同質(zhì)量要求的鋼材，常采用不同的原材料和冶煉方法。常用煉鋼方法的特點(diǎn)見表9-1所示。
表9-1 常用煉鋼方法的特點(diǎn)比較
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轉(zhuǎn)爐
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純氧頂吹轉(zhuǎn)爐
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平爐
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電弧爐
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主要原料
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液體生鐵
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液體生鐵、廢鋼
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生鐵和廢鋼
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全部或大部分是廢鋼
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熱源
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由空氣中的氧氧化雜質(zhì)（如碳、錳、硅、磷等）而產(chǎn)生的反應(yīng)熱
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由純氧氧化雜質(zhì)而產(chǎn)生的反應(yīng)熱
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重油、人造燃?xì)馊紵a(chǎn)生的熱
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交流電弧產(chǎn)生的熱
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主要特點(diǎn)
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冶煉速度快，生產(chǎn)效率最高，生產(chǎn)成本低
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（同轉(zhuǎn)爐）
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容量大，但冶煉時(shí)間較長(zhǎng)，工藝過程易控制。如果采用吹氧技術(shù)，可提高生產(chǎn)效率。生產(chǎn)成本較高
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容量小，工藝過程易控制，便于添加合金元素，能冶煉易被氧化的元素和難熔金屬的鋼種，生產(chǎn)效率較低，生產(chǎn)成本高
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脫硫、磷效果
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能脫磷，但脫硫能力低
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能脫磷，脫硫效果一般不高
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脫磷尚可，能脫一部分硫
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脫硫、脫磷效果都較好
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脫氣效果
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氫：≤5PPm
氮：0.014%
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氫：2PPm~5PPm
氮：0.004%
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氫：6PPm ~8PPm
氮：0.005%
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氫：4PPm ~7PPm
氮：0.006%
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綜合質(zhì)量
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一般
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較好
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更好
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最好
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用途
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煉普通碳素鋼
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煉碳素鋼和某些低合金鋼
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煉普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼和低合金鋼
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煉高合金鋼和特殊性能鋼
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不同冶煉方法對(duì)材料性能的影響可以從以下幾個(gè)方面來看：
1、對(duì)脫氣的影響
金屬在冶煉過程中，當(dāng)與空氣接觸時(shí)，空氣中的氮、濕氣分解出的氫等氣體會(huì)溶入鋼液中。除此之外，冶煉過程中還將產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳?xì)怏w等。這些氣體在鋼液澆注時(shí)如果不脫掉，會(huì)對(duì)金屬材料帶來一系列不良影響。氮在鋼中能提高鋼的強(qiáng)度和硬度（但少量時(shí)作用不明顯），但卻使材料的塑性和韌性顯著降低，尤其使材料低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度顯著升高，故一般要控制其含量不大于0.008%；少量的氫存在于鋼中就會(huì)對(duì)鋼的質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。氫是導(dǎo)致鋼材壓力加工中產(chǎn)生白點(diǎn)的主要根源，也是導(dǎo)致鑄造和焊接裂紋的主要原因，故一般材料中對(duì)氫含量都有嚴(yán)格的要求。大量的一氧化碳和二氧化碳存在會(huì)導(dǎo)致鋼液澆注過程中產(chǎn)生氣孔，故它們的多少是影響材料氣孔多少的主要原因。顯而易見，對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉的鋼來說，它是靠空氣作為氧化劑進(jìn)行氧化雜質(zhì)的，其溶氫、溶氮的幾率要大的多，故其脫氣性不好。純氧頂吹轉(zhuǎn)爐是利用純氧做氧化劑，其溶氮的幾率就較小，且便于CO和CO2的逸出。而平爐是靠煉渣提供的氧化鐵作為氧化劑，其溶氮幾率更小，但如果煉渣除渣不好的話，氫溶量會(huì)增加。電爐是靠鐵礦石或廢鋼屑作為氧化劑，故其溶氫、溶氮量均較少，而且產(chǎn)生的CO和CO2量也較少，故其脫氣性最好。
2、對(duì)脫除硫、磷雜質(zhì)元素的影響
從第三章中已經(jīng)知道，硫和磷在鋼中都是有害元素，因此希望它們的含量越少越好。除此之外，硫和磷在鋼中的分布甚至存在形態(tài)不同，對(duì)材料性能的影響也不同。一般情況下，硫是以FeS作為非金屬化合物存在的，它以片狀或條狀存在于材料中時(shí)，對(duì)鋼材的基體會(huì)起到“割裂”作用，使材料的強(qiáng)度和塑性均降低，當(dāng)它以偏析形式存在時(shí)影響更甚，當(dāng)它以小顆粒分布存在時(shí)則影響較小。試驗(yàn)表明，以小球狀存在于鋼中的FeS，與以片狀或條狀存在時(shí)相比，將使材料的應(yīng)力腐蝕敏感性降低（10~20）倍。磷的偏析將導(dǎo)致材料韌性急劇下降。不同的冶煉工藝其脫硫、脫磷等有害雜質(zhì)元素的能力是不相同的，轉(zhuǎn)爐、純氧頂吹轉(zhuǎn)爐和平爐對(duì)脫磷較有效，脫硫效果則不佳。電爐冶煉時(shí)脫硫、脫磷效果均較好。
3、對(duì)脫氧的影響
在鋼鐵冶煉過程中，都是通過氧化進(jìn)行脫碳、脫雜的，因此最終的鋼液中會(huì)含有多余的氧化物，如果多余的氧化物不進(jìn)行充分還原，會(huì)在澆注時(shí)產(chǎn)生“沸騰”現(xiàn)象，從而得到的是沸騰鋼。此時(shí)，因?yàn)橛醒趸锏确墙饘倩衔锏拇嬖冢瑫?huì)造成大量的成分偏析和內(nèi)部雜質(zhì)，從而導(dǎo)致材料的機(jī)械性能和耐蝕性較差。相反，脫氧較好的材料其氣體含量低，鋼錠中的氣泡和疏松較少，機(jī)械性能和耐蝕性均較好。較高級(jí)的材料都是脫氧良好的材料。不同的冶煉原料和冶煉方法，其冶煉過程中的氧化物含量是不同的，最終得到的鋼中的氧化物含量也不同，因此材料的品質(zhì)也不同。
4、對(duì)化學(xué)成分偏差的影響
對(duì)于金屬材料，尤其是對(duì)合金材料，其化學(xué)成分偏差越大，導(dǎo)致材料的性能越不穩(wěn)定。反之，材料的化學(xué)成分越接近理想成分，越容易達(dá)到理想的性能。因此，實(shí)際工程中希望得到的材料其化學(xué)成分等于或者接近理論上的化學(xué)成分，而且偏差越小越好。不同的冶煉工藝其化學(xué)成分的偏差保證性是不同的，它們由好到差的順序依次是電爐→平爐→純氧頂吹轉(zhuǎn)爐→轉(zhuǎn)爐。
值得一提的是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，一些先進(jìn)的冶煉技術(shù)在不斷地應(yīng)用到金屬材料的冶煉中，如AOD（氬氣保護(hù)電弧精煉技術(shù)）、VOD（真空保護(hù)電弧精煉技術(shù)）和電渣重熔精煉技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外許多鋼廠投入應(yīng)用。其中，AOD和VOD爐外精煉技術(shù)可以獲得脫氣好、化學(xué)成分偏差小、雜質(zhì)元素脫除好的優(yōu)質(zhì)材料。過去，超低碳奧氏體不銹鋼因脫碳較難而一度成為較難獲得、價(jià)格昂貴的材料，自采用爐外精煉技術(shù)以來，這類材料變得容易獲得而且價(jià)格也降了下來。在抗晶間腐蝕方面，用超低碳奧氏體不銹鋼代替穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼已成為趨勢(shì)。電渣重熔精煉技術(shù)¶以其脫硫、去磷效果好而倍受青睞，如果控制較好的話，它可使硫、磷含量達(dá)到雙零以下（即0.001%以下），從而能顯著提高材料的品質(zhì)。由第三章介紹的理論可知，材料的應(yīng)力腐蝕開裂、脆性斷裂、氫腐蝕等無不與鋼中的雜質(zhì)元素的多少、分布、形態(tài)、偏析等有關(guān)，而采用精煉技術(shù)可有效地改善這些因素的影響，從而可大大提高材料的可靠性。工程設(shè)計(jì)中，材料工程師可根據(jù)使用條件來選擇合適的冶煉方法。需要說明的是，爐外精煉技術(shù)的應(yīng)用常伴隨著材料生產(chǎn)成本的提高，故選用時(shí)應(yīng)對(duì)其經(jīng)濟(jì)性和高質(zhì)量進(jìn)行綜合考慮。
注¶：電渣重熔精煉技術(shù)是通過渣洗的作用，其脫氧、脫硫效果顯著，鋼的純潔度較高，鋼綻致密，偏析少，且自
下而上順序凝固，鑄造組織較好。
二、加工變形及其對(duì)材料性能的影響
壓力加工變形是管道元件制造中常用的一種方法。例如管子和大口徑管件基本上都是通過軋制、擠壓或推制而成形的，而法蘭、小口徑管件多是采用鍛造而成型的。管道元件的加工制造，以熱加工變形為主，而少量的小尺寸、塑性較好的材料是通過冷加工變形而獲得的。所謂的冷加工和熱加工是以再結(jié)晶溫度進(jìn)行區(qū)分的，凡是在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的加工變形稱為熱加工，在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的加工變形稱為冷加工。冷加工和熱加工各有優(yōu)缺點(diǎn)：冷加工是在材料的常溫組織中進(jìn)行塑性變形的，對(duì)于大部分材料來說，其組織變形抗力大，而且容易出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，故對(duì)于大尺寸管件，尤其是當(dāng)變形量較大時(shí)，加工便十分困難，需要的加工設(shè)備動(dòng)力也較大。對(duì)于塑性較差的金屬材料，甚至不能進(jìn)行冷加工，此時(shí)容易發(fā)生脆斷。但冷加工獲得的產(chǎn)品尺寸精度較高，表面光潔，無氧化皮、過燒等熱加工缺陷；熱加工一般是將金屬加熱到AC3以上20℃~30℃的溫度下進(jìn)行的金屬變形，此時(shí)材料的組織為易變形的高溫奧氏體組織，變形抗力小，無加工硬化現(xiàn)象，故它是常用的加工變形方法。除此之外，通過熱加工，還可以使鑄態(tài)金屬中的氣孔、疏松焊合，從而使材料的致密度提高。熱加工還可以使鑄態(tài)金屬中的枝晶偏析和非金屬夾雜物的分布發(fā)生改變，使它們沿變形方向破碎拉長(zhǎng)，形成所謂的“纖維組織”。但是熱加工過程常伴隨著金屬的氧化，從而造成金屬材料的利用率下降。氧化皮的存在也會(huì)影響到產(chǎn)品的表面質(zhì)量。如果熱加工的加熱溫度和加熱時(shí)間控制不當(dāng)，容易導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大，從而降低材料的機(jī)械性能。熱加工的產(chǎn)品外形及尺寸精度也較差。
下面就從金屬的微觀理論上來分析金屬的熱加工變形和冷加工變形對(duì)金屬組織和性能的影響。
（一）加工變形對(duì)金屬材料組織和性能的影響
在第三章中已經(jīng)講到，金屬材料的塑性變形實(shí)質(zhì)上是金屬的晶格發(fā)生了滑移，同時(shí)伴隨著晶格的壓扁和拉長(zhǎng)，由此也將帶來金屬材料組織和性能的一系列變化。歸結(jié)起來，這些變化可以分為以下三個(gè)方面：
1、晶格滑移和晶粒破碎
當(dāng)晶格受到的外力大于其原子結(jié)合力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生晶格滑移，即晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿滑移的方向（受剪應(yīng)力最大的方向）移動(dòng)一段距離，該距離一般為原子間距的整數(shù)倍。滑移的結(jié)果會(huì)在晶體的幾何形狀上造成臺(tái)階，即錯(cuò)位（常稱位錯(cuò)）。隨著金屬塑性變形量的增加，位錯(cuò)的數(shù)量會(huì)增加，并導(dǎo)致晶粒破碎，使之形成新的晶粒（俗稱亞晶粒）。在冷加工過程中，由于晶粒破碎和位錯(cuò)密度的增加，增加了晶格進(jìn)一步滑移的抗力，使其塑性變形變得較困難，此時(shí)表現(xiàn)在金屬的強(qiáng)度和硬度顯著上升，而塑性和韌性下降。這種現(xiàn)象稱為加工硬化現(xiàn)象。這就是冷加工變形不能進(jìn)行大尺寸、大變形量加工的原因。在熱加工變形過程中，由于原子獲得了足夠的活動(dòng)能量，使晶格滑移和晶粒破碎很容易進(jìn)行，而且呈現(xiàn)較小的變形抗力，故熱加工過程中一般不存在加工硬化現(xiàn)象。
2、晶粒拉長(zhǎng)和織構(gòu)現(xiàn)象
在外力的作用下，晶格不僅會(huì)產(chǎn)生滑移，而且會(huì)發(fā)生形狀和方向的變化。一般情況下，晶格會(huì)沿金屬塑性變形的方向被拉長(zhǎng)或壓扁，或者晶格的取向向塑性變形方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)晶格被拉長(zhǎng)或壓扁時(shí)，其晶格常數(shù)發(fā)生變化，沿變形方向變大，垂直于變形方向變小。當(dāng)變形量較大時(shí)，在微觀上晶粒呈細(xì)條狀或纖維狀，而且此時(shí)的晶界會(huì)變得模糊不清。金屬的這種組織稱為纖維組織。當(dāng)晶格取向發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，將使得金屬材料中的每個(gè)晶粒方向都趨于一致，這種現(xiàn)象叫作織構(gòu)現(xiàn)象，金屬的這種組織叫織構(gòu)組織。無論是金屬的纖維組織或者是織構(gòu)組織都將導(dǎo)致金屬材料的性能呈方向性，此時(shí)金屬沿塑性變形方向的強(qiáng)度和塑性都大于垂直于塑性變形方向的強(qiáng)度和塑性。這種現(xiàn)象在工程上一般是不利的，因?yàn)楣こ躺蠎?yīng)用的管道及其元件，受力都是比較復(fù)雜的，一般情況下，并不能確定那個(gè)方向的受力更大些。但管子及管件的制造工藝，是容易產(chǎn)生纖維組織和織構(gòu)組織的，因?yàn)槠渥冃未蠖嗍蔷€性變形。為了防止單一的纖維組織或織構(gòu)組織，在安排軋管和推制彎頭的制造工藝時(shí)，應(yīng)考慮同時(shí)發(fā)生軸向和徑向的變形，以減少單一纖維組織和織構(gòu)組織的影響。
3、加工殘余應(yīng)力
金屬材料在外力的作用下發(fā)生塑性變形時(shí)，各部分的變形并不都是均勻一致的。例如當(dāng)它受彎曲時(shí)，腹面與背面的變形就不相同。不均勻的塑性變形就意味著各處的晶格滑移和變形的量不同，為平衡這種不均勻變形而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力即為加工殘余應(yīng)力。同樣道理，由于金屬中各晶粒的晶格取向各不相同，滑移方向也各不相同，為平衡這種不均勻變形其各晶粒之間也將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。由于大量的位錯(cuò)等晶格缺陷而引起的晶格畸變使晶格處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，在原子力的作用下，它們都保持著恢復(fù)正常位置的趨勢(shì)，為平衡畸變晶格的復(fù)原也將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。這幾種內(nèi)應(yīng)力都屬于加工殘余應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)證明，由晶格畸變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力最大，是主要的加工殘余應(yīng)力。加工殘余應(yīng)力的存在會(huì)給材料的性能帶來一系列不利的影響：它會(huì)使材料的強(qiáng)度略有升高，但塑性和韌性卻大大降低；在高溫條件下使用時(shí)會(huì)因應(yīng)力松馳而引起產(chǎn)品的變形；在腐蝕環(huán)境中使用時(shí)使材料更易遭受腐蝕。有資料報(bào)道，管道中的應(yīng)力腐蝕開裂大多數(shù)是由焊接殘余應(yīng)力和加工殘余力造成的，這是因?yàn)椴粌H這樣的殘余應(yīng)力值比較大，而且這個(gè)殘余應(yīng)力的存在標(biāo)志著金屬原子位于不穩(wěn)定的組織狀態(tài)，勢(shì)能較高，更容易與其它化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而遭受腐蝕。故工程上一般是不希望有加工殘應(yīng)力存在的，尤其是在有應(yīng)力腐蝕傾向的環(huán)境中工作的材料，均應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚硪韵庸堄鄳?yīng)力。
應(yīng)該說，加工殘余應(yīng)力均是在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行塑性變形時(shí)才可能產(chǎn)生的，因?yàn)樵诟邷兀ㄔ俳Y(jié)晶溫度以上）下完成的加工變形，在隨后的冷卻過程中會(huì)因?yàn)榻饘俚脑俳Y(jié)晶而使加工殘余應(yīng)力得以消除或減弱。故對(duì)一些材料，當(dāng)其加工變形是在再結(jié)晶溫度以上完成時(shí)，可不進(jìn)行熱處理。
（二）加工變形后材料性能的恢復(fù)及改善
如上所述，材料在經(jīng)過加工變形后，會(huì)出現(xiàn)晶格畸變、晶格破碎、加工殘余應(yīng)力等不良現(xiàn)象。如果金屬的加工變形是在再結(jié)晶溫度以上完成的，上述現(xiàn)象對(duì)材料性能的影響會(huì)在隨后的冷卻過程中得以消失和緩解。對(duì)不同的材料，不同的變形量，其消失或緩解的程度是不同的。金屬材料的淬硬性越強(qiáng)，制造缺陷消失或緩解的程度越低，因?yàn)榇藭r(shí)它可能來不及恢復(fù)和改善，材料的正常相變就已經(jīng)完成。故對(duì)有些材料在加工變形之后需要熱處理，有些則不需要熱處理，其原因就在于此。金屬的加工變量越大，制造缺陷恢復(fù)和改善所需要的時(shí)間越長(zhǎng)，自然冷卻時(shí)有時(shí)可能會(huì)達(dá)不到所需要的足夠時(shí)間和溫度要求，此時(shí)也應(yīng)考慮進(jìn)行熱處理。對(duì)冷加工成型的產(chǎn)品來說，其制造缺陷沒有得到恢復(fù)和改善的溫度條件，故一般在加工后均要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚怼?/span>
金屬在加工變形后，無論是其晶格畸變、晶格破碎，還是殘余應(yīng)力的存在，都使得金屬原子的勢(shì)能升高，從而使金屬材料處于不穩(wěn)定狀態(tài)。一旦對(duì)材料進(jìn)行加熱，提高了金屬原子的活動(dòng)能力，并給予充分的“調(diào)整”時(shí)間，便會(huì)使材料的組織和性能得到恢復(fù)和改善。加工變形后進(jìn)行熱處理就是經(jīng)常采用的方法。
不同的熱處理，或者說不同的加熱溫度，對(duì)材料性能的恢復(fù)和改善是不同的，下面就來看一下不同的加熱溫度對(duì)加工變形后金屬材料性能和組織的影響。
當(dāng)加熱溫度較低時(shí)，原子具有一定的活動(dòng)能力，但活動(dòng)能力不夠大，此時(shí)可造成位錯(cuò)的遷移，使晶格畸變產(chǎn)生的晶格彈性彎曲現(xiàn)象得以消失，從而消除或緩解了因晶格畸變而產(chǎn)生的加工殘余應(yīng)力。但由于此時(shí)原子的活動(dòng)能力較低，使得破碎的晶粒沒有形成新的穩(wěn)定的晶粒，晶格的拉長(zhǎng)狀態(tài)也沒有改變，故金屬的組織仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)金屬材料的強(qiáng)度和硬度略有下降，但塑性和韌性沒有太大的提高。材料的組織和性能在該溫度下的變化過程稱為回復(fù)。
升高加熱溫度，原子有了足夠的活動(dòng)能力，使原來不規(guī)則的位錯(cuò)重新排列，形成新的晶粒，或者使被拉長(zhǎng)的晶粒重新組合而形成新的晶粒。經(jīng)過一定時(shí)間后，這些新晶粒會(huì)與相鄰的晶格取向相近的其它新晶粒合并，形成穩(wěn)定的正常晶粒。這一過程實(shí)際上是一個(gè)結(jié)晶過程，但由于該結(jié)晶過程只是原破碎晶粒的重新組合，并沒有發(fā)生晶格形式的變化，新晶粒的晶格形式與舊晶粒相同，故稱這種結(jié)晶形式叫再結(jié)晶。通過再結(jié)晶，加工變形后的金屬組織發(fā)生了徹底改變，加工變形的不良影響得到消除，材料的機(jī)械性能得到完全恢復(fù)。
繼續(xù)升高加熱溫度或延長(zhǎng)加熱時(shí)間，金屬的晶粒會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大，因?yàn)橥ㄟ^晶粒長(zhǎng)大，晶界的面積可以減少，表面能便會(huì)降低，所以晶粒長(zhǎng)大也是一個(gè)降低能量的自發(fā)過程。可見，管子及其元件無論是在熱處理的加熱過程，還是在熱加工的加熱過程，如果加熱溫度過高，或加熱時(shí)間過長(zhǎng)，都產(chǎn)生成晶粒粗大的金屬組織，而這種組織是我們所不希望得到的組織。故控制加熱溫度和加熱時(shí)間是保證獲得內(nèi)在質(zhì)量較好產(chǎn)品的一個(gè)很重要因素。
回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大對(duì)材料機(jī)械
性能的影響如圖9-1所示。由圖中可知，
變形金屬被加熱到再結(jié)晶溫度區(qū)間時(shí)，可
獲得較好的綜合性能。那么再結(jié)晶溫度如
何確定呢？
首先需要指出的是，沒有經(jīng)過冷加工
變形的金屬材料是不會(huì)發(fā)生再結(jié)晶的。只
有經(jīng)過冷加工變形，才有晶粒破碎和晶粒
再生過程，也就是說才有再結(jié)晶過程。而
對(duì)于熱加工變形過程，雖然它也伴隨有晶
粒破碎和再生過程，但它發(fā)生在加工變形
過程中和之后的冷卻過程中，若重新對(duì)它
加熱已不再有再結(jié)晶發(fā)生。此時(shí)對(duì)它進(jìn)行
的熱處理主要是消除淬硬組織而不是使其
再結(jié)晶。這部分的論述將在隨后的熱處理 圖9－1 變形金屬在不同加熱溫度下的性能曲線
中介紹。
前文已經(jīng)講到，金屬的加工變量越大，其缺陷的恢復(fù)和改善所需要的時(shí)間越長(zhǎng)，也就是說，再結(jié)晶過程與冷加工變形的塑性變形程度有關(guān)。塑性變形程度越大，意味著晶粒破碎的程度越大，產(chǎn)生的位錯(cuò)等晶格缺陷也越多，因而會(huì)使再結(jié)晶較早開始進(jìn)行，即再結(jié)晶溫度較低。但再結(jié)晶溫度并不是隨著變形度的增加而一直減小，它存在一個(gè)極限值，在低于這個(gè)極限溫度后，既使金屬的變形度再大，再結(jié)晶也不會(huì)發(fā)生，這是因?yàn)榇藭r(shí)的金屬?zèng)]有獲得再結(jié)晶所需要的足夠能量。再結(jié)晶溫度的極限值稱為最低再結(jié)晶溫度。實(shí)驗(yàn)告訴我們，各種金屬的最低再結(jié)晶溫度（Tr）與其熔點(diǎn)（Tm）大致存在如下關(guān)系：
Tr ≈ 0.4Tm
除金屬的塑性變形度對(duì)再結(jié)晶溫度有影響外，加熱的速度和時(shí)間對(duì)再結(jié)晶溫度也有影響，因?yàn)樵俳Y(jié)晶過程需要有一定的時(shí)間才能完成。增加加熱速度，會(huì)使再結(jié)晶推遲到在較高的溫度下發(fā)生。加熱保溫時(shí)間越長(zhǎng)，原子的擴(kuò)散移動(dòng)進(jìn)行的越充分，可使再結(jié)晶在較低的溫度下進(jìn)行。對(duì)碳鋼來說，其消除加工殘余應(yīng)力的高溫回火溫度一般為500℃~650℃，其再結(jié)晶退火溫度一般為680℃~720℃。
值得一提的是，金屬的塑性變形程度（即變形度）對(duì)金屬的晶粒度是有影響的。一般情況下，金屬的變形度越大，變形越均勻，再結(jié)晶后的晶粒便越細(xì)。當(dāng)變形度較小時(shí)，由于金屬晶粒破碎較少，發(fā)生再結(jié)晶的晶粒量較少，此時(shí)金屬的晶粒度基本上仍保持原來的大小不變。如果塑性變形不均勻，再結(jié)晶發(fā)生的位置和形核數(shù)量也是不均勻的，此時(shí)晶粒容易相互合并而長(zhǎng)大，從而形成粗大晶粒和不均勻晶粒組織而影響材料的機(jī)械性能。一般情況下，金屬的變形度為2%~10%時(shí)，容易造成金屬中的變形不均勻。在鍛制管件中經(jīng)常提到的鍛造比問題，實(shí)際上就是這里所說的變形度。如果鍛造比不夠，則容易產(chǎn)生不良組織（粗大晶粒和不均勻晶粒組織），故工程上對(duì)鍛件的鍛造比都有一個(gè)最小要求，例如JB4726《壓力容器用碳素鋼和低合金鍛件》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：采用鋼綻鍛造時(shí)，鍛件的主截面部分的鍛造比不得小于3，采用坯料或軋制材料鍛造時(shí)，鍛件的主截面部分的鍛造比不得小于1.6。
三、熱處理及其對(duì)材料性能的影響
熱處理是指通過一定的加熱、保溫及冷卻的操作過程，使金屬的組織和性能發(fā)生一系列變化，以獲得所需要的性能的一種工藝。
熱處理在工程中的應(yīng)用是十分普遍的，無論是在管子及其元件的制造過程，還是在施工現(xiàn)場(chǎng)的焊接過程，都經(jīng)常用到熱處理。綜合起來說，熱處理有以下作用：
a、改變材料的機(jī)械性能；
b、改變材料的金相組織；
c、改變材料的耐腐蝕性能；
d、改變材料的加工性能；
e、消除材料中的加工或焊接殘余應(yīng)力等。
例如，通過退火熱處理，可以獲得較好的塑性和韌性；通過淬火可以獲得較高的強(qiáng)度；通過調(diào)質(zhì)處理可以獲得良好的綜合機(jī)械性能；通過表面淬火或表面滲碳、滲氮處理，可以獲得較高的表面硬度和較好的耐磨性等。
例如，通過退火或正火可以改善鑄件的不均勻組織；通過調(diào)質(zhì)處理可以獲得晶粒較細(xì)、性能較好的索氏體組織；通過回火可以消除不良的馬氏體組織等。
例如，通過固溶處理和穩(wěn)定化熱處理可以改善奧氏體不銹鋼的抗晶腐蝕能力；通過回火可提高金屬及焊縫抗應(yīng)力腐蝕的能力等。
例如，通過退火可以消除冷加工變形的加工硬化現(xiàn)象，以便于進(jìn)一步的加工；通過退火或淬火，可以改善金屬的硬度，從而改善切削加工性能等。
例如，通過高回溫火或退火，可以消除加工變形殘余應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)及鑄造應(yīng)力，以改善材料的機(jī)械性能、抗腐蝕性能和尺寸穩(wěn)定性能等。
因此可以說，無論如何強(qiáng)調(diào)處理的重要性都是不過分的。作為材料工程師很有必要了解各種常用熱處理工藝的特點(diǎn)及作用，以便結(jié)合應(yīng)用工況，提出合適的熱處理要求，以期獲得所需要的材料性能，使之滿足工程應(yīng)用要求。
根據(jù)加熱、冷卻方法及熱處理的目的不同，可將熱處理大致分為圖9－2所示的幾種：
退火
淬火
熱處理 回火
火焰淬火
滲碳
滲合金 圖9－2 熱處理分類
下面逐次介紹常用熱處理方法的工藝特點(diǎn)及作用。
（一）退火
將金屬材料加熱到臨界溫度（相圖中的A3、A1、Acm溫度線）以上，并保溫一段時(shí)間，然后緩慢冷卻的熱處理過程叫做退火。
由于退火熱處理冷卻速度緩慢（一般在爐內(nèi)冷卻），故最終得到的組織（退火組織）接近平衡狀態(tài)組織。但一般退火熱處理用的時(shí)間比淬火、正火及回火長(zhǎng)，故費(fèi)用較高。它不宜用作施工現(xiàn)場(chǎng)的焊后熱處理。
通過退火熱處理，可以達(dá)到下列目的：
a、細(xì)化鑄件中的粗大晶粒，改善其機(jī)械性能；
b、消除偏析，改善鑄造、軋制、鍛造和焊接過程中的組織缺陷；
c、消除加工、焊接、鑄造產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，改善材料的耐蝕性能，并起到穩(wěn)定產(chǎn)品尺寸和外形的作用；
d、降低材料硬度，提高材料的塑性和韌性，以利于切削加工和冷變形加工。
根據(jù)熱處理的目的不同，常用的退火熱處理可分為完全退火、等溫退火、擴(kuò)散退火、再結(jié)晶退火和低溫退火等五種。
1、完全退火
完全退火是將材料加熱到AC3以上30℃~50℃的溫度，保溫一定時(shí)間后，隨爐（或埋在石灰中）冷卻至500℃以下，然后在空氣中冷卻。這種退火工藝得到的組織基本上接近平衡組織（對(duì)亞共折鋼，其組織為鐵素體+珠光體組織），故它反映出來的材料機(jī)械性能為正常性能（基本性能）。通過完全退火，可以達(dá)到消除殘余應(yīng)力的目的，同時(shí)在一定程度上可細(xì)化晶粒，消除偏析。但用它來消除殘余應(yīng)力成本偏高，而細(xì)化晶粒、消除偏析、均勻化學(xué)成分的作用又不及擴(kuò)散退火，故完全退火在工程上很少用，而是常用于淬火等其它熱處理前的預(yù)熱處理。
2、等溫退火
等溫退火是將材料加熱到AC3或AC1以上30℃~50℃的溫度，保溫一定時(shí)間后，以較快的速度冷卻到Ar1以下的珠光體轉(zhuǎn)變溫度，并在該溫度下作長(zhǎng)時(shí)間的恒溫，使金屬的高溫奧氏體組織充分轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織，然后在空氣中冷卻。這種退火工藝的實(shí)質(zhì)就是實(shí)現(xiàn)材料的珠光體組織轉(zhuǎn)變，使材料最終得到的組織為珠光體組織。我們知道，珠光體組織的材料具有良好的綜合機(jī)械性能，故它在工程上的應(yīng)用比較多。
3、擴(kuò)散退火
擴(kuò)散退火是將材料加熱到AC3以上150℃~250℃溫度，保溫足夠長(zhǎng)的時(shí)間（一般為10~20小時(shí)），然后隨爐冷卻。由于擴(kuò)散退火的加熱溫度較高，加熱時(shí)間較長(zhǎng)，使材料的原子有了充分?jǐn)U散遷移的能量和時(shí)間，從而可以消除材料中的化學(xué)成分不均勻性和偏析。擴(kuò)散退火后得到的組織接近平衡組織，但容易造成晶粒粗大。它適用于鑄件的熱處理，但由于其費(fèi)用較高，故只有在必要時(shí)才考慮使用。
4、再結(jié)晶退火
再結(jié)晶退火是針對(duì)冷加工變形材料進(jìn)行的一種熱處理。它是在材料變形完成后將其加熱至再結(jié)晶溫度，保溫一定時(shí)間后緩冷至常溫的一種熱處理方法。前面已經(jīng)講到，經(jīng)過冷變形后的材料，通過再結(jié)晶退火可以使材料的組織和性能得到恢復(fù)及改善。
5、低溫退火
低溫退火是將材料加熱到A1以下某一個(gè)溫度（對(duì)于常用碳鋼來說一般為500℃~650℃），保溫一段時(shí)間后隨爐冷卻至300℃，然后空冷至常溫。低溫退火的作用主要是改善材料中的加工變形，消除焊接和鑄造殘余應(yīng)力等。由于加熱溫度在A1以下，故該過程基本上沒有組織變化。只有當(dāng)材料中有過冷奧氏體存在時(shí)，它才會(huì)有過冷奧氏體的組織轉(zhuǎn)變。低溫退火的作用與高溫回火相同，但二者有稍許差別，前者的保溫時(shí)間較長(zhǎng)，冷卻速度也較慢，故各種殘余應(yīng)力的消比較徹底，但其成本比高溫回火高。當(dāng)產(chǎn)品對(duì)各種殘余應(yīng)力的要求不是太苛刻時(shí)，一般都是用高溫回火代替低溫退火。工程上實(shí)際應(yīng)用較多的是高溫回火。
由此可見，退火熱處理一般都表現(xiàn)出加熱溫度高、加熱時(shí)間長(zhǎng)、冷卻速度慢的特點(diǎn)。因此，如果處理不當(dāng)，可能會(huì)給材料的性能帶來一些不利的影響。例如，金屬材料長(zhǎng)時(shí)間處于高溫下時(shí)有晶粒長(zhǎng)大的傾向，故在進(jìn)行退火熱處理時(shí)，要防止產(chǎn)生晶粒粗大的組織。金屬材料長(zhǎng)時(shí)間處于高溫下時(shí)，還容易產(chǎn)生過燒或脫碳現(xiàn)象，它也將影響到材料的性能。
（二）正火
將金屬材料加熱到AC3或Accm以上30℃~50℃的溫度，保溫一段時(shí)間（一般比退火保溫時(shí)間短）從爐中取出在空氣中冷卻的過程叫正火。
與退火熱處理相比，正火的最大特點(diǎn)是冷卻速度較快，晶體結(jié)晶時(shí)的過冷度較大，故得到的晶粒比退火細(xì)，材料的綜合機(jī)械性能較退火好（強(qiáng)度較高，而塑性和韌性也比較好）。正火得到的最終組織比較復(fù)雜。對(duì)于淬硬性較低的材料，其組織以鐵素體和珠光體為主，并有少量的馬氏體和貝氏體組織。但此時(shí)的貝氏體和馬氏體組織的量較少，對(duì)材料性能的影響不顯著。對(duì)淬硬性較強(qiáng)的材料，組織中的馬氏體量會(huì)增加，甚至完全出現(xiàn)淬火馬氏體組織淬硬組織，故對(duì)這樣的材料，一般不能以正火作為最終熱處理，而往往在正火之后再進(jìn)行一次高溫回火，以消除淬硬組織。
通過正火熱處理，可以達(dá)到以下目的：
a、對(duì)于淬硬性不高的材料，作為最終熱處理，可獲得較好的綜合機(jī)械性能；
b、對(duì)于中、低碳結(jié)構(gòu)鋼，可作為中間熱處理，以改善其切削加工性能；
c、可在一定程度上細(xì)化鑄件中的粗大組織，改善其偏析情況，但效果不如退火；
d、對(duì)淬硬性較強(qiáng)的材料，淬火前進(jìn)行正火，可減少產(chǎn)品開裂和變形的傾向。
正火比退火的成本低，生產(chǎn)效率高，且晶粒長(zhǎng)大的傾向小，金屬的脫碳和燒損少，故它在工程上得到了普遍應(yīng)用。
值得一提的是，奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定化熱處理與正火熱處理的工藝過程相似，它是將材料加熱到大約850℃~950℃的溫度，保溫約2小時(shí)左右，然后利用空氣冷卻的工藝過程。但它與一般的正火熱處理是不同的，它的目的在于給材料中的碳和穩(wěn)定化元素（鈦和鈮）以足夠的能量和時(shí)間，讓它們充分結(jié)合形成穩(wěn)定的碳化物，以消除奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕傾向。目前，關(guān)于穩(wěn)定型奧氏體不銹鋼要不要做穩(wěn)定化熱處理的問題存在爭(zhēng)議，反對(duì)者認(rèn)為，既然將固溶熱處理作為其最終熱處理?xiàng)l件，那么它就獲得了較好的強(qiáng)度、硬度，同時(shí)組織中的晶粒比較細(xì)，如果此時(shí)再進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，將會(huì)降低其已有的硬度和強(qiáng)度，同時(shí)由于穩(wěn)定化熱處理過程的保溫時(shí)間較長(zhǎng)，有晶粒長(zhǎng)大的傾向。同意者認(rèn)為，作為管道材料，是避免不了現(xiàn)場(chǎng)焊接操作的，而焊接將破壞焊縫及其熱影響區(qū)的固溶效果，使焊接接頭處喪失抗晶間腐蝕的能力，但現(xiàn)場(chǎng)的焊接接頭處又不宜做固溶處理，故為了保證焊接接頭處的抗晶間腐蝕能力，應(yīng)做穩(wěn)定化熱處理。筆者是持肯定意見的。此時(shí)應(yīng)注意，穩(wěn)定化熱處理只對(duì)穩(wěn)定型奧氏體不銹鋼有意義，且焊后的穩(wěn)定化熱處理只有當(dāng)原材料在制造中已進(jìn)行了穩(wěn)定化熱處理時(shí)才有效。
（三）淬火
將材料加熱到AC1或AC3以上30℃~50℃溫度，保溫后快冷的工藝過程叫淬火。
與正火相比，淬火的冷卻速度更快，結(jié)晶時(shí)的過冷度更大，因此導(dǎo)致大量的過冷奧氏體轉(zhuǎn)移到較低的溫度下進(jìn)行轉(zhuǎn)變。從第三章的第一節(jié)中已經(jīng)知道，此時(shí)得到的組織主要是馬氏體組織，它的存在導(dǎo)致材料的強(qiáng)度和硬度大幅度上升，而塑性和韌性則大幅度下降。馬氏體組織是一個(gè)不穩(wěn)定組織，它會(huì)通過常溫時(shí)效而使材料尺寸和形狀發(fā)生變化，也會(huì)導(dǎo)致材料的耐蝕性下降，故對(duì)于流體輸送用的管子及其元件來說，不希望其最終組織為馬氏體組織。這種情況下，淬火往往是作為預(yù)處理，隨后進(jìn)行高溫回火處理，可以獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，因?yàn)榇慊疬^程過冷度較大，結(jié)晶形核數(shù)量較多但又沒有充裕的時(shí)間長(zhǎng)大，因此得到的晶粒較細(xì)，再加上回火后馬氏體轉(zhuǎn)變成了性能較好的索氏體或屈氏體，故使得材料的綜合性能優(yōu)于退火和正火。人們習(xí)慣上把淬火+回火的熱處理方法叫調(diào)質(zhì)熱處理。但對(duì)于要求耐磨的材料，馬氏體組織可以作為最終組織。
工程上，淬火的目的主要有以下幾方面：
a、提高材料的硬度和耐磨性。例如閥桿和閥板的熱處理；
b、淬火+低溫回火，可提高材料的彈性。如彈簧的熱處理即如此；
c、淬火+高溫回火，可獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。
淬火熱處理在工程上是一個(gè)比較難以控制的熱處理過程，如果控制不好，反而會(huì)導(dǎo)致材料的性能變壞，這也是它在石化管道上應(yīng)用不多的主要原因。ASTM材料規(guī)范規(guī)定，當(dāng)制造商同意時(shí)，才采用淬火+高溫回火熱處理，而對(duì)于用戶無特殊要求時(shí)，一般都是采用正火或正火+回火以代替淬火+回火熱處理。
影響淬火熱處理效果的因素主要有以下幾方面：
1、加熱參數(shù)的影響
加熱參數(shù)包括加熱溫度、加熱速度和加熱保溫時(shí)間。
加熱溫度太高時(shí)，將得到粗片狀馬氏體組織，同時(shí)引起產(chǎn)品較嚴(yán)重的變形，甚至引起產(chǎn)品的淬火開裂。加熱溫度太低時(shí)，可得到非馬氏體組織，從而降低材料的硬度、耐磨性和調(diào)質(zhì)效果。
加熱速度太快時(shí)，會(huì)造成較大的溫度梯度，從而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，對(duì)于形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，這些應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的變形和開裂。當(dāng)然，對(duì)于正火和退火，過大的加熱速度也會(huì)導(dǎo)致這樣的結(jié)果。如果加熱速度太慢，雖然對(duì)淬火組織影響不大，但卻增加了熱處理時(shí)間，也增加了熱處理成本。
加熱保溫時(shí)間太長(zhǎng)時(shí)，產(chǎn)生的影響同加熱溫度較高時(shí)相同。如果加熱保溫時(shí)間較短，奧氏體轉(zhuǎn)化不完全，將導(dǎo)致淬火后的組織中出現(xiàn)非馬氏體組織。
2、冷卻速度及冷卻介質(zhì)的影響
前文提到的淬火控制難度大主要是指其冷卻速度控制難度大，這是因?yàn)椋慊鸷笠氲玫今R氏體組織，必須要有足夠快的冷卻速度，使其轉(zhuǎn)變溫度迅速跨過珠光體類和貝氏體類轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，而使大量的過冷奧氏體在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度下進(jìn)行轉(zhuǎn)變。然而，冷卻速度過快，會(huì)造成較大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的變形和開裂，而此時(shí)的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力遠(yuǎn)大于加熱時(shí)的應(yīng)力值（因加熱升溫速度遠(yuǎn)小于冷卻降溫速度），故冷卻時(shí)開裂和變形的可能性更大。如何處理這個(gè)矛盾是十分棘手的事情。事實(shí)上，要想得到淬火馬氏體組織，并不需要整個(gè)冷卻過程的冷卻速度都很快，而只要在珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間快速冷卻即可。在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，冷卻速度應(yīng)控制在較小值，以利于過冷奧氏體的充分轉(zhuǎn)變，否則會(huì)殘留部分過冷奧氏體在組織中，從而降低材料的硬度。冷卻速度放慢，還有利于減小熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。所以理想的淬火冷卻速度是一個(gè)變化的冷卻速度，但能達(dá)到這一要求的冷卻介質(zhì)卻很難找到。
目前，常用的淬火冷卻介質(zhì)有水、鹽水和油。
采用鹽水作冷卻介質(zhì)時(shí)，由于鹽水中的氯化鈉晶體在產(chǎn)品表面的析出和爆裂，有效地破壞了產(chǎn)品表面的蒸汽膜，故其冷卻速度比清水快，因此它常用于淬硬性不強(qiáng)、形狀簡(jiǎn)單的產(chǎn)品。
油的導(dǎo)熱率與水相比比較低，故材料在油品中的冷卻速度也比較低，大約是在水中冷卻速度的四分之一，因此油品作為淬火冷卻介質(zhì)時(shí)，常用于淬硬性較強(qiáng)的材料。
3、材料淬透性的影響
所謂金屬材料的淬透性，是指它淬火后獲得馬氏體層深度的能力。它與淬硬性不同，后者是指淬火后獲得馬氏體最高硬度的能力。
可想而知，對(duì)于一個(gè)厚度較大的金屬產(chǎn)品，當(dāng)冷卻時(shí)，由于表面與芯部存在溫度梯度的原因，可能會(huì)使芯部得不到足夠的冷卻速度而形不成馬氏體組織。在隨后的回火過程中，其表面和芯部的組織也就不一樣，從而導(dǎo)致材料機(jī)械性能的下降。
除了冷卻速度對(duì)材料的淬透性有影響外，化學(xué)成分則是影響淬透性的主要因素。材料的含碳量越高，產(chǎn)生馬氏體的傾向越大，故材料的淬透性越大。試驗(yàn)證明，大多數(shù)合金元素如Mn、Mo、Cr、Al、Si、Ni等都能顯著提高材料的淬透性和淬硬性，這些合金元素含量較高的高合金鋼，有強(qiáng)烈地馬氏體轉(zhuǎn)變能力，有的甚至在正火過程中就可產(chǎn)生馬氏體組織。
值得一提的是，奧氏體不銹鋼的固溶熱處理從方式上說基本上屬于淬火熱處理，但它又不同于一般的淬火熱處理。因?yàn)閵W氏體不銹鋼常溫組織就是奧氏體組織（它是通過加入大量的鉻和鎳元素使其奧氏體相區(qū)（γ相區(qū)）擴(kuò)大到常溫范圍內(nèi)），故它不存在淬硬的問題。此時(shí)的固溶處理實(shí)質(zhì)上是將材料加熱到一定的溫度（一般為1050℃~1150℃），并保溫一定的時(shí)間，使過剩的碳原子充分固溶到高溫奧氏體中，然后進(jìn)行急冷，使碳原子來不及在冷卻時(shí)再次從奧氏體中析出（高溫奧氏體與常溫奧氏體的溶碳能力不同），從而得到過飽和的奧氏體固溶組織。固溶熱處理的目的主要是防止過剩的碳在晶界上析出，從而導(dǎo)致奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕敏化。
（四）回火
將材料加熱到AC1以下某個(gè)溫度，保溫后自然冷卻下來的熱處理工藝過程叫回火。
應(yīng)該說，在材料中如果沒有不穩(wěn)定的晶格畸變，或者沒有不穩(wěn)定的低溫組織，那么金屬的回火熱處理是沒有什么意義的。但很多產(chǎn)品在變形加工完成或焊接之后，可能會(huì)存在不穩(wěn)定的晶格畸變問題，而晶格畸變的存在在金屬內(nèi)將產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，這個(gè)內(nèi)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致材料機(jī)械性能（主要是塑性和韌性）和耐腐蝕性能的下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致金屬材料的開裂或延遲開裂。此時(shí)對(duì)金屬材料進(jìn)行回火熱處理，可消除其內(nèi)應(yīng)力，從而使材料的性能得到改善和恢復(fù)。
另一方面，金屬材料經(jīng)過正火或淬火后，會(huì)得到不穩(wěn)定的馬氏體和少量的過冷奧氏體組織。馬氏體的存在使材料的硬度和強(qiáng)度升高，但卻使其塑性和韌性大幅度下降。過冷奧氏體的存在會(huì)使產(chǎn)品的形狀和尺寸不穩(wěn)定，甚至長(zhǎng)時(shí)間常溫靜置都會(huì)使它發(fā)生轉(zhuǎn)變。過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變過程又常伴隨著體積的變化，從而引起產(chǎn)品的尺寸和形狀變化。此時(shí)對(duì)材料進(jìn)行回火熱處理，可以使不穩(wěn)定的馬氏體組織和過冷奧氏體組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而成為穩(wěn)定的其它組織。
一般情況下，正火后得到的組織中主要是鐵素體和珠光體，而馬氏體和過冷奧氏體的量很少，有時(shí)可以忽略不計(jì)，此時(shí)對(duì)正火后的材料進(jìn)行回火熱處理是沒有意義的，故工程上應(yīng)用的某些低碳鋼，經(jīng)正火后不再進(jìn)行熱處理的道理正在于此。而對(duì)淬硬性或淬透性較強(qiáng)的材料，正火后組織中得到馬氏體和過冷奧氏體的量比較多，以致不能再忽略不計(jì)，有些材料甚至正火后得到的組織就是淬火組織，故此時(shí)就需要象淬火一樣，正火后再進(jìn)行回火。為了論述方便，這里僅以淬火組織進(jìn)行回火處理的轉(zhuǎn)變過程進(jìn)行介紹，而正火后的回火則視材料不同而比照處理。
淬火組織在回火過程中將發(fā)生下列四個(gè)階段的轉(zhuǎn)變：
1、第一階段轉(zhuǎn)變：它是發(fā)生在80℃~200℃溫度區(qū)間的轉(zhuǎn)變。當(dāng)加熱到該溫度區(qū)間時(shí)，淬火組織中的馬氏體將部分分解，并生成與它共格的ε碳化物（Fe2.4C），使馬氏體的過飽和碳含量降低，得到的組織為回火馬氏體組織。而在溫度低于80℃時(shí)，由于碳原子沒有得到遷移所需的足夠能量，故沒有轉(zhuǎn)變發(fā)生。
由于此時(shí)的ε碳化物極為細(xì)小，又與馬氏體共格，故其基本組織仍為過飽和的固溶體組織。此時(shí)材料的機(jī)械性能沒有發(fā)生太多的變化，僅僅是降低了淬火組織應(yīng)力和材料的脆性。第一階段轉(zhuǎn)變過程又稱低溫回火。低溫回火常用在刀具和量具的調(diào)質(zhì)處理中。
2、第二階段轉(zhuǎn)變：它是發(fā)生在200℃~300℃溫度區(qū)間內(nèi)的轉(zhuǎn)變。當(dāng)溫度加熱到該溫度區(qū)間時(shí)，材料中的殘余過冷奧氏體開始轉(zhuǎn)變，生成回火貝氏體。因?yàn)樵撾A段的馬氏體轉(zhuǎn)變?nèi)圆幻黠@，因此殘余過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變成了影響材料性能變化的突出因素，最終得到的回火馬氏體+回貝氏體組織導(dǎo)致了材料脆性的明顯增加，行業(yè)中又常稱材料的這類脆性為第一類回火脆性。這類回火脆性在工程上是毫無意義的，而且也不能通過其它處理方式將它消除，故工程上常避免在該溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行回火。
3、第三階段轉(zhuǎn)變：它是發(fā)生在350℃~500℃溫度區(qū)間的轉(zhuǎn)變。當(dāng)加熱到該溫度區(qū)間時(shí)，過飽和的碳原子相繼從α－Fe固溶體內(nèi)析出生成滲碳體，而且第一次轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的ε碳化物也逐漸變?yōu)闈B碳體（Fe3C），從而得到回火屈氏體組織。此時(shí)材料的內(nèi)應(yīng)力大大減少，其硬度和脆性也顯著降低。但由于此時(shí)的滲碳體尚未長(zhǎng)大，而是以細(xì)小的顆粒存在于鐵素體之間，故材料仍保持較高的強(qiáng)度和較好的韌性。這一轉(zhuǎn)變過程稱為中溫回火。中溫回火常用在彈簧的調(diào)質(zhì)處理中。
4、第四階段轉(zhuǎn)變：它是發(fā)生在500℃~650℃溫度區(qū)間的轉(zhuǎn)變。當(dāng)加熱到該溫度區(qū)間時(shí)，第三次轉(zhuǎn)變過程中的粒狀滲碳體開始發(fā)生聚合，使得原來的α－Fe固溶體和滲碳體發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，從而形成回火索氏體組織。此時(shí)淬火馬氏體產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化作用和晶格畸變強(qiáng)化作用已完全消失，材料得到了優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。這一過程稱為高溫回火。高溫回火是工程中最常用的一種回火。
需要指出的是：對(duì)于含Cr、Mo、Si等元素的合金鋼，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間在500℃~650℃溫度區(qū)間停留時(shí)，會(huì)出現(xiàn)回火脆化現(xiàn)象，行業(yè)內(nèi)常稱之為第二類回火脆性。第二類回火脆性產(chǎn)生的主要原因是材料中低熔點(diǎn)的雜質(zhì)元素銻、磷、錫、砷在晶界偏聚所致。這類回火脆性可以通過加熱到高溫回火溫度，然后急冷而加以消除。
（五）表面熱處理
顧名思義，金屬材料的表面熱處理是指僅對(duì)金屬材料的表面進(jìn)行熱處理，而材料內(nèi)部的組織和性能不發(fā)生變化，從而僅使材料表面獲得特殊性能的工藝過程。一般情況下，表面熱處理分為兩大類：即表面淬火和表面化學(xué)熱處理。表面淬火時(shí)，僅材料表面的組織有變化，即表面出現(xiàn)淬硬馬氏體組織。表面化學(xué)熱處理時(shí)，材料表面的組織不僅有變化，而且化學(xué)成分也發(fā)生了變化。
表面熱處理主要是用來改變金屬材料表面的耐磨性和耐蝕性，而內(nèi)部則保持著正常的綜合機(jī)械性能。有這種性能要求的情況有時(shí)僅靠選用材料來實(shí)現(xiàn)是比較困難的。這種熱處理方法在管道工程上的應(yīng)用并不多，僅一些閥門的運(yùn)動(dòng)部件（如閥桿）會(huì)用到這些熱處理方法。
1、表面淬火熱處理
將金屬表面加熱到淬火溫度以上，然后快速冷卻使金屬表面得到淬硬組織的過程叫表面淬火。通常采用的表面淬火方法有感應(yīng)加熱表面淬火方法和火焰加熱表面淬火方法兩種。
感應(yīng)加熱表面淬火方法通常是以交變電磁場(chǎng)作為加熱手段，因此它具有加熱速度快、加熱均勻、加熱溫度易控制等優(yōu)點(diǎn)，故得到的表面淬火質(zhì)量較好。但它需要復(fù)雜的專用設(shè)備，投資較高，對(duì)于具有復(fù)雜外形的產(chǎn)品，加熱線圈調(diào)整較難，故它通常適用于大批量、外形簡(jiǎn)單的產(chǎn)品表面熱處理。
火焰加熱表面淬火方法是利用氧－乙炔氣等燃料燃燒而對(duì)材料進(jìn)行加熱，因此它的加熱速度較慢且不均勻，得到的表面淬火質(zhì)量不如感應(yīng)加熱法。但它無需較貴的專用設(shè)備，操作比較靈活，故可用于小批量、具有復(fù)雜外形產(chǎn)品的表面淬火。
表面淬火僅能提高材料表面的硬度和耐磨性，而其耐蝕性和抗疲勞性比較差，故閥門運(yùn)動(dòng)部件如閥桿現(xiàn)在已很少采用這種熱處理方法了。
2、表面化學(xué)熱處理
將金屬產(chǎn)品放入特定的介質(zhì)中，對(duì)它們加熱、保溫，使欲滲入的元素以活性原子狀態(tài)進(jìn)入材料的表層中，以達(dá)到改善材料表面性能的過程叫表面化學(xué)熱處理。工程中用的較多的是滲碳、滲氮、滲鉻和滲鋁。
滲碳方法通常是將被滲產(chǎn)品放置在一氧化碳的氣體介質(zhì)中，然后加熱到產(chǎn)品的奧氏體轉(zhuǎn)化溫度并進(jìn)行保溫，從而使從一氧化碳中分解出的碳原子滲入材料表層中的過程。此時(shí)碳原子既可能以固溶方式存在，又可能以滲碳體的形式存在。滲碳后進(jìn)一步進(jìn)行表面淬火可獲得比表面淬火具有更好耐磨性的材料表面，此時(shí)材料表面的抗疲勞性也有少量的提高，但其耐蝕性尚差。
滲氮方法通常是將被滲產(chǎn)品放置在無水氨氣中，然后加熱到500℃~560℃并進(jìn)行保溫，從而使氨氣中分解出的氮原子滲入到材料表層的過程。滲氮后的金屬表面既具有較高的硬度和耐磨性，又具有較好的耐蝕性和抗疲勞性。但是，由于滲氮溫度較低，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，而且表層的氮化物較脆，故常常用氰化（即碳、氮共滲，但以滲氮為主）來代替。許多閥門制造商的閥桿都采用了滲氮或碳、氮共滲的熱處理方法。
在近幾年與國(guó)外的閥門制造商接觸過程中，閥桿滲鉻的熱處理用的比較多，尤其是高壓閥門中，除對(duì)閥桿的硬度和耐磨性有較高的要求外，閥桿的韌性、抗疲勞性、耐蝕性都有較高的要求，在這方面滲鉻則比滲氮或氰化更具有優(yōu)越性。
產(chǎn)品的滲鋁主要是用來抗腐蝕的。鋼材滲鋁后，會(huì)在表面形成一層Al2O3薄膜，這個(gè)薄膜的化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性都比較好，附著力也很強(qiáng)，用在抗高溫硫、高或低溫硫化氫、環(huán)烷酸、高溫氧化等腐蝕介質(zhì)中都表現(xiàn)了良好的耐腐蝕性能。表面滲鋁的材料是一種良好的石油化工生產(chǎn)中的耐腐蝕材料，故該工藝一經(jīng)推出，很快得到了推廣應(yīng)用。但對(duì)于工藝管道來說，存在著現(xiàn)場(chǎng)大量焊接的問題，而滲鋁鋼在焊接后，焊縫處的滲鋁層會(huì)被破壞，從而在焊縫處形成了耐腐蝕的薄弱區(qū)，目前滲鋁鋼的焊接問題尚在研究中。
思考題：
1、冶煉方法對(duì)金屬材料的性能主要有哪些影響？
2、常見的冶煉方法有哪些？各有何特點(diǎn)？
3、壓力加工變形對(duì)金屬材料有哪些主要影響？
4、冷加工變形和熱加工變形相比，有何特點(diǎn)？
5、加工殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因有哪些？
6、什么叫加工硬化？
7、什么叫再結(jié)晶？
8、影響材料回復(fù)與再結(jié)晶的因素有哪些？
9、金屬材料的熱處理對(duì)其性能有哪些影響？
10、退火的作用有哪些？
11、什么叫等溫退火、完全退火和擴(kuò)散退火？各有何特點(diǎn)？
12、什么叫正火？正火的作用是什么？
13、什么叫淬火？淬火的作用是什么？
14、影響材料淬火效果的因素有哪些？
15、什么叫回火？試述金屬材料在回火過程中的組織轉(zhuǎn)變？
16、常用的金屬材料表面化學(xué)處理有哪些？各有何特點(diǎn)？
普通熱處理 正火
表面淬火
表面熱處理 感應(yīng)淬火
化學(xué)熱處理 滲氮
