2018-2-19 赵步青 赵步青谈热处理
国家标准《金属热处理工艺术语》对“热处理”是这样定义的：将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。此定义仅限于金属和合金，难道非金属就不能热处理了吗？显然不够全面，狭义片面。
权威大词典《辞海》对“热处理”的定义比较长，它是这样描述的：一种改善金属材料及其制品（如机器零件、工具等）性能的工艺。根据目的，将材料或其内部组织（有时仅使表面组织改变或其表面成分改变），以获得所要求的性能。此定义也仅限于金属及其制品，也是不全面的。 1、日本友人对“热处理”的理解[1] 早在上世纪80年代，为纪念日本热处理技术协会成立25周年，该协会曾召开一次有关热处理技术未来的座谈会，名为“谈21世纪的热处理”[见日本“热处理”1986年第1期]。会上对热处理的定义展开热烈的讨论，几位学者的发言比较经典： ①铃木朝夫认为：凡加热或降低温度，改变热力学温度T，包括改变温度变化速度的操作称为热处理。有人反对说，按此推断，风湿病理疗也变成了“热处理”。 ②大和久重雄认为：是凡有相变的操作统称为热处理。显然，这个定义狭窄。再结晶退火、去应力退火是不发生相变的，难道就不是热处理吗？有人指出，因热处理改善材料和改变性质，所以PVD、CVD、离子注入等也应纳入热处理范畴。当时就有人反问到：那么，铸造、焊接和烧结都可以并入热处理了？由于冷处理和深冷处理也从热处理中出现，大和久重雄重新提出“热处理应改称为温度处理”。 ③菊池实认为：单纯利用改变温度或者化学成分来改变组织的操作应分别称作温度处理、压力处理或者成分处理。应热处理技术的不断拓展，因此扩大原有的单单依靠加热和冷却来改善组织（即温度处理）的狭义含义，应将热处理定义为细小组织结构的控制技术。具体分为三大类：温度处理、化学热处理和形变热处理。在菊池实的见解中，温度处理和热处理两个名词并用，从而使热处理这个概念反而模糊不清了。 还有不少见解都是比较片面的。 2、我国学者对“热处理的见解” 几十年来，我国一直沿用前苏联对“热处理”这个概念的定义，即“利用改变组织的方法使金属的性质发生变化的操作称热处理”。看了有必要给以修正，因为现在很多热处理新技术都不是通过组织变化来改变材料性能的。例如：物理气相沉积PVD、离子注入、低温渗硫，他们均已归类热处理。根据现代热处理技术的发展情况，有人提出新定义：凡采用温度和时间或者同时还采用其他工艺参数）（如化学成分、气压、应力、磁场和电压等），通过改变材料的微观组织、晶体结晶或者相成分来达到所要求的性能的操作称作热处理。微观组织包括显微组织和超纤维组织。在这里，热处理中的“热”不应理解为“加热”，而应扩大原始含义，而是指“热能”变化。单纯采用温度和时间两个参数来处理材料称双参数热处理，如普通淬火、正火、退火、去应力等。因为一切变化都是在温度的驱动下发生的，不应改热处理为其他什么处理，应赋予热处理新义。在这个“热处理”定义中应强调4点： ①必须是为了达到所要求的性能而有意识采取的操作，因此一般的自然时效不应属于热处理，因为它不是人们希望的性能的改变。但是，有意采用室温存放来改变材料的性能时，则应属于热处理。如灰铸铁机床床身，放在室外自然时效一年半载，它既有温度的变化，又有时间的作用，最后达到消除应力、稳定尺寸的效果。 ②基于手段是调节温度和时间两个最主要参数，其他参数不是必备的。若无温度和时间的变化，只是采用气压、应力和磁场等操作，则不属于热处理。 ③基于温度、时间两点，不宜将所有表面处理技术纳入热处理范畴。由于化学热处理、电镀、喷焊、钎焊、铸渗等表面处理技术的发展和相互渗透、交叉，由此而产生的新技术不一定属于任一个原始学科。这也是从1987年起国际材料热处理学会更名为国际热处理和表面工程技术学会的原因，中国也与时俱进，将原广义的热处理改为“热处理与表层改性技术”两大板块。 ④强调操作的目的、手段和机理的一致性。铸造和锻造虽都有温度、时间参数作用，但其目的是成形，其目的和机理不同，所以不属于热处理。 由此可见，作为热处理的基本特征是不能离开采用温度和时间两个参数来改变材料的组织结构，达到所要求的性能。除了这两个最基本的参数外，还可以是同时采用其他参数，并以其他参数的名称来进一步表明热处理的特点。例如，同时采用温度-时间-化学成分来处理材料，成为化学热处理；将压力加工与热处理工艺有效的结合起来，则可以同时发挥形变强化与热处理强化的作用，获得单一强化不能达到的综合力学性能的形变热处理；同时采用温度-时间-低压时成为真空热处理等。 3、我们对“热处理”的理解 我们对热处理的定义是：是凡在温度的作用下，经过一段时间，使物件组织或性能发生变化的操作过程称为热处理。 按此推断，我们以前书本讲的热处理仅限于金属，现在可以涵盖世间一切事物。比如，炒菜就叫厨房里的热处理；重要木制品在成材前都要经干馏才能加工，保证在使用过程中永久不变形，干馏可叫木材的热处理；老母鸡经过21天孵化，将鸡蛋变成鸡，也应属热处理；人死了进行火化，也是热处理，不过这是最高境界的热处理，也是最终的热处理，它将人变成了灰。以下简介陶瓷和高分子材料的热处理。 ① 陶瓷的热处理 从陶瓷的含义看，以黏土类及其他天然矿物原料经粉碎加工、成型、焙烧而成的物质成为陶瓷。陶瓷材料由于兼有良好的耐热性、耐蚀性、和耐磨性，很有希望在高温结构材料领域上占据更多份额。含ZrO2材料在立方晶格单相温度区域内烧结后，CaO-PZC冷至1300℃，MgO-PSZ冷却至1400℃并分别在该温度下进行时效处理，析出微细的正方晶格并形成正方晶体和正方晶体的复合组织，从而提高了韧性。3.3%CaO部分稳定化的ZrO2，1400℃×3h时效后，弯曲强度达640MPa。在晶界控制方面，在烧结冷却过程中烧结添加剂形成玻璃相造成性能下降。在开发硅系烧结材料中通过热处理可以有效地控制结构，使第二相结晶或使助剂固溶于基体中，热处理可消除陶瓷材料的损伤并恢复其强度。 ②高分子材料的热处理 所谓高分子材料使之成千上万个原子彼此以共价键连接而成的大分子化合物，其分子量一般在一万以上，甚至高达几百万。常用的高分子化合物分子量虽然很大，但他们的化学组成都比较简单，一般由许多相同的简单的结构单元通过共价键重复连接而成，如聚氯乙烯：[CH2-CH]n。 高分子材料按使用性质可分为橡胶、塑料和纤维三大类，根据各目的使用要求，都可以进行热处理。 高分子材料热处理的目的与金属材料基本相同，，主要在于提高耐热性、尺寸稳定性、耐冲击以及改变结晶形态、化学结构并消除内应力。以下简介结晶型高分子材料的热处理。热处理加热温度远低于其熔点，使球状晶体细化，板条晶体变厚，从而提高冲击强度和屈服强度。定向结晶高分子材料在热处理后发生变化。以二甲酯纤维为例说明弹性模量与热处理温度的关系，定向结晶好是弹性模量升高。高分子材料在热处理过程发生化学变化，分子链重新排列。二甲酯在250℃热处理是，在真空中分子量增加，而在空气中却减少。为了通过提高高分子材料的力学性能，控制高分子链的定向是非常重要的举措。 4、结语 以前认为热处理有三部曲：即加热-保温-冷却。我们认为现代热处理必备3个基本要素：即温度-时间-性能。一切变化皆有温度主宰；时间跟温度相比是从属作用，至于和性能的变化是最终目的。可以是物理变化，亦可为化学变化，万变不离其宗，最终达到我们所需要的使用性能。 随着科学技术的快速发展，热处理已分支出表层改性（也有人成为表面工程的），将来一定会有新的分支。我们广开眼界，拓宽视野，给热处理一个全新的理念，搞好各个领域中的热处理，为人类谋福祉。 参考文献 [1]谭玉华.关于“热处理”的名称和定义[D].长沙:中国热处理信息报.1987(7):3-4
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发表于 2018-2-20 13:18:02
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