在机械领域中，“四把火”指的是热处理中的四种基本工艺：退火、正火、淬火和回火。以下是这四种工艺的详细介绍：
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退火：
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定义：退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却的热处理工艺。其实质是将钢加热奥氏体化后进行珠光体转变。
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目的：使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。
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特点：
- 降低硬度：退火可以降低金属材料的硬度，使其更易于加工。
- 消除应力：退火有助于消除材料在加工过程中产生的内应力，防止变形和开裂。
- 改善塑性和韧性：通过退火，可以提高材料的塑性和韧性，使其在后续加工中表现更好。
- 细化晶粒：退火可以细化材料的晶粒，提高材料的均匀性和性能。
- 消除缺陷：退火有助于消除材料中的微观缺陷，如孔洞、裂纹等。
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分类
- 完全退火：适用于亚共析钢，将钢加热至AC3以上30-50℃，保温后缓慢冷却，以获得接近平衡状态的组织。
- 不完全退火：适用于过共析钢，将钢加热至AC1与AC3之间，保温后缓慢冷却，以获得较细的晶粒和均匀的组织。
- 等温退火：将钢加热至AC3以上或AC1与AC3之间，保温后快速冷却至珠光体区域的某一温度，并等温保持，使奥氏体转变为珠光体。
- 球化退火：主要用于工具钢，将钢加热至AC1以上20-30℃，保温后缓慢冷却至Ar1以下，使碳化物球化，以提高切削性能。
- 再结晶退火：主要用于冷加工后的金属，通过加热至再结晶温度以上，使变形晶粒再结晶，消除加工硬化。
- 去应力退火：主要用于消除焊接、淬火等过程中产生的内应力，通常加热至较低温度后缓慢冷却。
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工艺参数
- 加热温度：根据材料的种类和所需的组织状态确定。
- 保温时间：确保材料内部温度均匀，组织转变充分。
- 冷却速率：影响材料的微观组织和性能，通常需要控制冷却速率以获得所需的组织。
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微观层面：
- 退火工艺主要分为恒温退火、等温退火和连续退火等类型。这些退火工艺可以通过改变材料的晶体结构和组织来调整其性能。
- 退火可以使晶体发生位错运动和再结晶过程，从而改善材料的结晶度和晶粒度。
- 晶界结构的改变往往会引起晶粒尺寸和形状的变化，从而影响材料的力学性能。
宏观层面：
- 退火可以减少结构差，降低长期应力，使加工产品的标准化值能够降低。
- 在随后的冷却中，通过可逆转结构差引起的短期应力随着温度的均匀性而消失。
- 退火通过控制其热应力演绎的热处理过程，以冷至刚体，分为两个退火阶段和四个退火状态，历经了最佳、次佳和最次三种退火状态。
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正火：
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定义：正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果和退火类似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，有时也用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。
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目的：去除材料的内应力；增加材料的硬度。
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应用：用于低碳钢、中碳钢、工具钢、轴承钢、渗碳钢等；用于铸钢件、大型锻件；用于球墨铸铁。
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工艺步骤
- 加热：将金属材料放入加热炉或其他加热设备中，提高其温度至正火温度区间。
- 保温：在达到正火温度后，将金属材料保持在该温度下一定时间，使其内部结构发生相应的变化。
- 冷却：将保温完毕的金属材料迅速冷却到室温，通常使用空气自然冷却，有时也采用吹风或喷雾冷却。
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微观层面：
- 正火是将工件加热奥氏体化后，在空气中冷却变成珠光体的热处理工艺。
- 正火可以减少亚共析钢中铁素体的含量，使珠光体含量增多并细化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。
宏观层面：
- 正火作为最终热处理，可以改善一些钢种的板材、管材、带材和型钢的力学性能。
- 正火也可以作为预先热处理，为淬火或调质处理（淬火加高温回火）前常进行正火，以消除魏氏组织和带状组织，并获得细小而均匀的组织。
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淬火：
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定义：淬火是将工件加热保温后，在水、油或其他无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却，获得马氏体和（或）贝氏体组织的热处理工艺。淬火后钢件变硬，但同时变脆。
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目的：
- 提高机械性能：淬火可以提高金属成材或零件的机械性能，例如提高工具、轴承等的硬度和耐磨性，提高弹簧的弹性极限，提高轴类零件的综合机械性能等。
- 改善特殊钢的材料性能或化学性能：如提高不锈钢的耐蚀性，增加磁钢的永磁性等。
- 获得马氏体组织：淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等。
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效果
淬火后的工件具有以下特点：
- 获得不平衡组织：得到了马氏体、贝氏体、残余奥氏体等不平衡（即不稳定）组织。
- 存在较大内应力：淬火过程中会产生较大的内应力。
- 力学性能不能满足要求：因此，钢铁工件淬火后一般都要经过回火。
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淬火方法
淬火的常用方法有单介质淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火法、复合淬火法等多种。
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微观层面：
- 淬火的实质是过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织。
- 在光学显微镜下，淬火后的横截面中碳含量明显溶解在晶格微观结构中，呈现体心四方形式，即马氏体。
宏观层面：
- 淬火裂纹多起源于零件的棱角、空洞、凹槽、截面突变等应力集中处。
- 淬火油的冷却速度对金属材料的微观组织和宏观性能有重要影响。快速冷却可以促进马氏体的形成，提高材料的硬度和强度；而慢冷则可能导致非马氏体组织的生成。
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回火：
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定义：回火是将淬火后的金属成材或零件加热到某一温度，保温一定时间后，以一定方式冷却的热处理工艺，回火是淬火后紧跟着进行的。
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目的：
- 消除内应力：减少或消除淬火钢件中的内应力，防止变形和开裂。
- 调整硬度和强度：调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求。
- 稳定组织与尺寸：保证精度，稳定工件尺寸。
- 改善加工性能：改善和提高加工性能。
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工艺步骤
- 加热：将淬火后的工件重新加热到低于下临界温度Ac1的适当温度。
- 保温：在该温度下保持一段时间，以促使材料内部组织发生变化。
- 冷却：然后以控制的方式缓慢冷却，以减少或消除淬火过程中产生的残余应力。
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材料性能影响
回火后的材料性能取决于其内部显微组织，这又随化学成分、淬火工艺及回火工艺而异。随着回火温度的升高，钢的抗拉强度σb单调下降；屈服强度σ0.3先稍升高而后降低；断面收缩率ψ和伸长率δ不断改善；韧性总的趋势是上升，但在300～400℃之间和500～550℃之间出现两个极小值，相应地被称为低温回火脆性与高温回火脆性。
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回火分类
- 低温回火（150~250℃）：保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性，得到回火马氏体，硬度58～64HRC。
- 中温回火（350～500℃）：得到回火屈氏体，具有高的弹性极限、屈服点和一定的韧性，硬度35～50HRC。
- 高温回火（500~650℃）：得到回火索氏体，具有较好的综合力学性能，硬度25～35HRC。
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微观层面：
- 回火过程包括马氏体分解，碳化物的析出、转化、聚集和长大，铁素体回复和再结晶，残留奥氏体分解等四类反应。
- 回火过程中，马氏体中过饱和碳不断以ε碳化物形式析出，使马氏体碳含量降低。
宏观层面：
- 回火是工件淬硬后加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺，目的是消除工件淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂。
- 通过淬火和回火的相配合，才可以获得所需的力学性能，如硬度、强度、塑性和韧性。
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