金属热处理工艺详解：均匀化处理、固溶处理、时效处理与去应力退火
金属热处理工艺详解：均匀化处理、固溶处理、时效处理与去应力退火
金属热处理是材料科学与工程中的重要环节，对金属材料的性能有着决定性的影响。本文将详细介绍四种常见的金属热处理工艺：均匀化处理、固溶处理、时效处理和去应力退火。
1. 均匀化处理（Homogenizing treatment）
均匀化处理是一种专门应用于铸态合金的热处理工艺。其核心是在高温下长时间保温，促使合金中的成分通过原子扩散达到均匀分布。这一过程类似于将成分不均匀的“混合体”在高温下激活原子，使其充分混合，从而减少成分差异。
目的
主要目的是消除铸态合金中的成分偏析。在铸造过程中，由于冷却速度不均匀、溶质元素分配系数差异等因素，合金在不同部位的成分可能不一致。通过均匀化处理，可以使合金元素在整个材料内部均匀分布，为后续的加工和热处理提供成分均匀的材料基础。
组织变化
组织变化主要体现在成分上。在均匀化处理之前，合金可能存在明显的成分差异，如晶界和晶内成分不同，或者不同区域的合金元素含量有较大差别。经过均匀化处理后，原子的扩散使这些成分差异减小，组织在成分层面上更加均匀。不过，在相结构方面可能基本保持不变，即不会像固溶处理那样形成单相固溶体，或者像淬火后形成马氏体等新的相结构。
冷却方式
冷却速度一般比较缓慢。通常采用炉冷或者空冷的方式，这样可以避免因冷却过快而产生新的应力或者导致成分再次出现不均匀分布的情况。缓慢冷却让原子有足够的时间适应温度变化，维持在高温下获得的成分均匀状态。
适用材料
主要适用于铸态合金材料，特别是那些在铸造过程中容易出现成分偏析的合金。例如，铝合金、镁合金、铜合金等有色金属的铸锭，以及一些合金钢的大型铸坯等。这些材料在铸造后，如果要进行后续的精密加工或者其他热处理工艺，为了保证性能的均匀性，往往需要先进行均匀化处理。
温度选择
温度通常较高，且需要根据合金的种类、铸锭的尺寸等来确定。一般来说，温度要足够高，以保证原子具有足够的能量进行扩散，从而实现成分的均匀化。例如，某些铝合金铸锭的均匀化处理温度可能高达 500 - 550 ℃，保温时间可能长达 10 - 20 小时；对于一些镍基合金，均匀化温度可能更高，保温时间也可能更长，这是因为镍基合金中的元素扩散相对较难，需要更高的温度和更长的时间来实现成分均匀化。
2. 固溶处理（Solution heat treatment）
固溶处理是一种将合金加热到高温单相区，使合金元素充分溶入基体，形成均匀单相固溶体，随后快速冷却（常为水冷）的热处理过程。
目的
为时效处理创造条件，获得过饱和固溶体，通过后续时效使合金元素以弥散相析出，从而提高合金的强度、硬度等力学性能。
组织变化
合金元素溶入基体，形成单相固溶体，原本可能存在的第二相减少或消失。
冷却方式
通常采用水冷，目的是快速冷却以保留高温下形成的过饱和固溶体。
适用材料
主要用于可热处理强化的合金，如铝合金、镍基合金等。
温度选择
依据合金相图确定能让合金元素充分溶解的温度区间。这个温度要保证合金处于单相区，同时避免合金过烧。例如铝合金的某些系列固溶温度在 450 - 550 ℃左右，镍基合金可能高达 1000 - 1200 ℃。
3. 时效处理（Aging）
时效是一种热处理工艺，是将经过固溶处理后的合金在一定温度下（低于固溶温度）保温一定时间，使溶质原子从过饱和固溶体中以弥散的析出相形式沉淀析出的过程。分为自然时效（在室温下进行）和人工时效（在加热条件下进行）。
目的
根据析出强化的原理，通过溶质原子的析出形成弥散分布的第二相粒子，阻碍位错运动，从而提高合金的强度和硬度，改善合金的力学性能。
组织变化
在时效过程中，过饱和固溶体中的溶质原子在基体中形成细小的、弥散分布的析出相。这些析出相可以是与基体共格、半共格或非共格的关系，其形态、大小和分布会随着时效温度和时间而变化。例如，在铝合金时效过程中，溶质原子（如铜原子）从过饱和的铝基体中析出，形成细小的沉淀相，这些沉淀相能有效地阻碍位错运动。
冷却方式
人工时效后一般是空冷。自然时效是在室温下进行，不存在冷却方式的选择。
适用材料
主要用于可热处理强化的合金，如铝合金、镁合金、铜合金等。这些合金通过时效处理能够显著提高其强度和硬度，以满足不同的工程应用需求。
温度选择
时效温度一般低于固溶温度。对于铝合金，自然时效是在室温下长时间放置；人工时效温度因合金种类而异，如 2024 铝合金人工时效温度一般在 190 - 200 ℃左右，7075 铝合金人工时效温度在 120 - 140 ℃左右。时效温度的选择要考虑合金的种类和想要达到的性能，较低的时效温度会使溶质原子析出速度较慢，有利于形成细小、弥散的析出相，但可能需要较长的时间。
4. 去应力退火（stress - relief annealing）
去应力退火是将金属材料加热到低于再结晶温度的一定范围，保温一段时间后，以缓慢的速度（如炉冷或空冷）冷却的热处理工艺。
目的
消除金属在铸造、锻造、焊接、冷加工等过程中产生的残余应力，防止工件变形、开裂，提高尺寸稳定性和抗疲劳性能。
组织变化
基本不发生明显的组织转变，主要是原子重新排列，缓解晶格畸变，调整位错分布，使残余应力得到释放。
冷却方式
一般采用炉冷或空冷，避免冷却过快重新产生应力。
适用材料
适用于各种金属材料，包括钢铁、铝合金等在加工过程中产生应力的材料。
温度选择
温度低于材料的再结晶温度。对于钢铁材料，通常在 550 - 650 ℃左右；铝合金在 300 - 400 ℃左右。
小结
一般的先后顺序是先进行均匀化处理，接着固溶处理，然后时效处理，去应力退火可根据具体情况在不同阶段进行，但通常在加工过程中产生应力后进行，如焊接、冷加工等之后，以消除应力对零件的不利影响。