退火

退火（annealing）是将工件加热到适当温度，保温一段时间后进行缓慢冷却的热处理工艺，其目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态。退火技术应用于铸、锻、焊件预处理，旨在软化材料便于加工，消除内应力防变形开裂，细化晶粒，改善组织及合金元素分布，提升工艺性能，为最终热处理做准备。

退火工艺的发明应该说是人类金属热处理的开端。研究表明早期的铜及其合金不经过退火是不适宜进行大形变量加工的。铜及其合金容易发生加工硬化，中间退火产生再结晶使铜合金软化，以便进行进一步的加工，这一技术以后广泛应用于制造兵器和生活器具。南土库曼新文化遗址出土的纯铜刀的加工采用了退火，其年代可追溯至公元4000年以前。中国采用锻造和退火的工艺对青铜进行加工处理可能在公元前3500年以前已经出现。河南殷墟出土的殷代金箔，经金相分析可知，是经过再结晶退火处理的，其目的是消除金箔冷锻硬化。公元前六至七世纪的中国铸铁生产技术的发明是古代工匠在钢铁技术发展史上所做出的重要贡献，这使中国一举进入大规模制铁的先进国家。然而，铸铁的大规模应用和推广在很大程度上依赖于中国纯熟的退火技艺。中国古代工匠通过控制加热、冷却和气氛等条件，发展了适应于生铁、熟铁与钢退火处理的系列处理工艺，总体可将其划分为铸铁的退火和钢的退火。除此之外，他们还发展了制备铸铁脱碳钢、黑心和白心可锻铸铁的脱碳退火处理方法。明代宋应星著《天工开物》有锉刀翻新工艺中有对退火的记载。书中还记载了制针工艺中工序间消除内应力的退火。以退火为代表的热处理技术促进了当时社会的发展，先人知其然，却不知所以然。直至19世纪60年代，随着铁碳相图及等温转变图的建立，热处理才由技艺变成科学。此后，X射线衍射及各种电子显微技术的发展为热处理研究提供了强有力的技术支撑，加之相变理论、热力学等相关学科的发展，以及新材料、新技术的应用，热处理在理论和应用方面取得了巨大进步。

退火是将工件加热到适当温度，保温一段时间后进行缓慢冷却的热处理工艺，其目的是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。该工艺主要应用于铸件、锻件、焊接毛坯或半成品零件，作为预备热处理的关键步骤。退火能软化钢材以便利切削加工，提升钢材性能使其更易于冷变形加工；还能细化晶粒、改善组织结构，优化合金元素的分布，并提升热处理工艺性能，从而为最终热处理奠定良好的组织基础；消除内应力和加工硬化，以防变形和开裂。

• 热力学原理

退火通过固体材料内部的原子扩散发生，使材料向其平衡状态发展。热量增加扩散速率，提供了打破键所需的能量。原子的移动会重新分布和消除金属中的位错，从而增加延展性。退火过程也减少了变形金属中的起始过程的吉布斯自由能。在实际应用和行业中，这种减少吉布斯自由能的过程称为应力缓解。内部应力的释放是一个热力学上自发的过程；然而，在室温下，这是一个非常缓慢的过程。退火发生在高温下，有助于加速这个过程。促使冷加工金属回复到无应力状态的反应有许多途径，主要涉及金属体内格隙梯度的消除。晶格空位的生成受阿伦尼乌斯方程的控制，晶格空位的迁移/扩散受费克扩散定律的控制。随着材料温度升高，退火过程的三个阶段分别是：恢复、再结晶和晶粒长大。第一个阶段是恢复，通过去除主要是位错和引起内部应力的线性缺陷软化金属。恢复发生在所有退火过程的较低温度阶段，是在出现新的无应力晶粒之前。晶粒尺寸和形状不会改变。第二个阶段是再结晶，新的无应力晶粒成核并生长，以取代那些被内部应力变形的晶粒。如果让再结晶完成后继续退火，就会发生晶粒长大（第三阶段）。晶粒长大后，微观结构开始变粗，可能导致金属丧失原有很大一部分强度。然而这可以通过淬火来恢复。

• 临界点

以钢的退火举例，由Fe-Fe₃C相图可知，钢在加热至稍高于A，温度时将发生P→A的转变。但在实际热处理生产中，加热和冷却速度不可能很慢，故实际发生组织转变温度总要偏离平衡临界点。加热和冷却速度越大，偏离程度也越大。一般将实际加热时的临界点加标符号“c”表示，如Ac₁、Ac₃、Ac_cm；将实际冷却时的临界点加标符号“r”表示，如Ar₁、Ar₃、Ar_cm。应该指出，多数钢件的热处理都要加热到临界点以上，以获得细小而均匀的奥氏体组织。

铁碳相图 A:奥氏体 P:珠光体 F:铁素体 Fe3CII渗碳体

根据加热温度的不同，主要可分为两大类。第一类退火，其加热温度高于临界点，包括完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火和扩散退火（均匀化退火）等。在这类退火过程中，晶体结构会发生变化，所获得的组织多数为平衡态。而第二类退火，加热温度则位于临界点以下，主要包括去应力退火和再结晶退火等。这类退火过程中晶体结构不发生改变，因此所获得的组织并不一定是平衡态。按照GB/T 16923—2008《钢件的正火与退火》，钢的退火还有光亮退火和稳定化退火，分别用于碳钢和低合金钢件表面的无氧化处理，防止耐蚀钢耐晶间腐蚀性能的降低。

完全退火是用于将钢加热至特定温度范围（亚共析钢为Ac₃以上20~30℃，过共析钢为Ac_cm以上20~30℃），保温一段时间后，再缓慢冷却至室温，以获得普通珠光体组织。然而，对于过共析钢，因其缓冷时易析出网状二次渗碳体导致脆化，所以并不适合采用完全退火。完全退火的主要目的是降低硬度，其炉冷速度需控制在30℃/h以下，且退火时间较长。此工艺特别适用于碳含量在0.3%~0.6%的中碳钢及中碳合金钢。

不完全退火是将铁碳合金加热到Ac₁～Ac₃（Ac_cm）之间的温度，保温后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。“不完全”是指两相区加热时只有部分组织发生了相变重结晶，达不到完全奥氏体化，加热时珠光体会转变为奥氏体，大部分过剩相（铁素体或渗碳体）保留下来。目的：细化晶粒，降低硬度，去除应力，改善可加工性。

等温退火其步骤包括将钢加热至Ac₁（亚共析钢）或Ac₃（过共析钢）以上20~30℃，保温一段时间后，迅速冷却至Ar1以下的某一温度并再次保温，随后出炉空冷，从而得到普通珠光体组织。根据钢的TTT曲线，等温退火能有效减少退火时间，并使组织更加均匀，因为转变过程发生在恒定的温度下。此工艺尤其适用于过冷奥氏体稳定性较高的合金钢。

完全退火、不完全退火和等温退火工艺

球化退火是一种不完全退火工艺，旨在将钢中的碳化物转变为球状或粒状珠光体组织。这种工艺不仅能降低高碳钢或高碳合金钢的硬度，提高切削加工性能，还能为最终热处理提供均匀的球化组织。球状珠光体因其连续且塑性好的铁素体基体而具有出色的塑性和韧性，对低、中碳钢的冷成形以及工具钢、滚动轴承钢在最终热处理前的机加工尤为重要。球化退火常用于过共析钢及高碳合金钢，其过程可能包括加热、保温和缓慢冷却等步骤。常用的球化退火工艺有三种，每种都有其特点，如一般的球化退火、等温球化退火和周期球化退火，后者虽工艺复杂但适用于小件并能缩短退火时间。

也称为扩散退火，是以减少工件化学成分和组织的不均匀程度为主要目的，将其加热到高温并长时间保温。然后缓慢冷却的退火工艺。钢锭、铸件或锻件的化学成分和组织的不均匀，一般要加热到略低于固相线温度（钢的熔点以下100~200℃），长时间保温使其化学成分和组织均匀化。通常加热温度为Ac₃或Ac_cm以上150~300℃，具体加热温度根据钢锭的偏析程度和钢的成分而定，碳钢一般为1100～1200℃，合金钢多为1200～1300°C，钢合金和铝合金的加热温度则分别选择在700~950℃和400~500℃。退火后晶粒粗大，可用完全退火或正火细化晶粒、消除过热缺陷。

再结晶退火则是一种通过加热冷变形金属至再结晶温度以上并保温一段时间，使变形晶粒转变为等轴且无畸变的晶粒，从而消除加工硬化的热处理工艺。对于钢而言，再结晶退火的温度通常设定在650℃或稍高，并保温约0.5~1小时。这种工艺对于改善金属材料的性能和延长使用寿命具有重要意义。

去应力退火，也被称为低温退火，主要用于消除冷、热加工后因快速冷却而产生的残余内应力，以避免零件在使用过程中发生变形或开裂。其加热温度因材料和技术要求的不同而有所差异。对于碳钢和低合金钢，去应力退火过程通常涉及以100~150℃/h的速度随炉缓慢加热至500~650℃，保温1~2小时，然后以50~100℃/h的速度随炉缓慢冷却至200~300℃后出炉空冷。高合金钢的加热温度则相对较高，通常在600~750℃之间。

与退火相比，正火是将钢加热到Ac₃或Ac_cm以上30~50℃，保温一段时间，在空气中冷却的热处理工艺。它与退火的主要区别是正火的冷却速度稍快一些，故正火组织比较细，其硬度、强度也稍高些。正火的目的主要是细化晶粒，调整硬度，消除网状渗碳体，为后续加工、球化退火及淬火等工艺做好组织准备。退火和正火都是在工业上应用非常广泛的热处理工艺，它们主要被用于钢的预先热处理，经常被安排在铸造或锻造加工之后和粗切削加工之前，用来消除前一道工序给工件带来的某些组织缺陷和内应力，并为后续的精加工等做好组织和性能上的准备。

钢的各种退火和正火工艺

正火、两类退火的工艺特点及应用范围

退火和正火工艺很相似，实际应用时，可以从以下三方面考虑选择：

• 从切削加工性考虑

一般认为硬度在 170~230HBS 范围内的钢材，其切削加工性能较好。硬度太高，不但难于加工，且刀具容易磨损：硬度过低，切削加工中易 “粘刀”，使刃具发热而磨损，且加工后零件表面粗糙度也高。所以低碳钢和某些低碳合金钢常采用正火处理，适当提高硬度，改善切削加工性。

• 从使用性能考虑

对于亚共析钢来说，正火处理比退火具有较好的机械性能。如果零件的性能要求不高，可用正火作为最终热处理。但当零件形状复杂，正火的冷却速度较快，有形成裂纹危险时，则用退火。

• 从经济上考虑

正火比退火的生产周期短，成本低，操作方便，故在可能的条件下，应优先采用正火。

优点改善材料性能：通过退火处理，可以消除材料内部的应力和晶格畸变，提高材料的韧性、延展性和导电性等性能。降低硬度：退火可以使材料的硬度降低，变得更加易于加工和成型。改善晶粒结构：退火有助于晶粒的长大和均匀化，从而提高材料的强度和韧性。消除内应力：退火过程中，材料内部的应力可以得到释放，减少了变形和开裂的风险。缺点成本较高：退火需要一定的时间和能量投入，可能增加生产成本。可能导致晶粒长大：过度的退火可能会导致晶粒过度长大，影响材料的机械性能。尺寸变化：在热处理过程中可能发生固态相变，从而导致尺寸变化，需要在设计和加工中予以考虑。

退火如其他热处理工艺一样，分为加热、保温、冷却三个阶段，包含五个要素，即加热介质、加热温度、加热速度、保温时间、冷却速度。

• 加热介质

高温下，加热介质可能与工件表面发生化学反应二改变其表层成分。例如，氧化性介质可使工件表面氧化，可能会使钢铁材料发生脱碳现象。

• 加热温度

加热温度和保温时间，决定了加热后金属内部的组织结构及构成相的成分。应根据工件的钢号、热处理目的等因素确定。

• 加热速度

加热速度会影响工件的热应力、组织应力和相变过程。根据工件的成分、尺寸和形状及堆放形式、装炉量等因素来确定，对高碳高合金钢及形状复杂的或截面大的工件一般应进行预热，或采用低温入炉后控制升温速度的加热方式。中、小件可在工作温度装炉加热。

• 保温时间

加热时间应根据工件的化学成分、形状和尺寸、加热温度、加热介质、加热方式、装炉量和堆放形式以及处理目的等因素确定，应保证工件在规定的加热温度范围内保持足够的时间。

• 冷却速度

冷却是重要环节，对所有在冷却过程中发生相变的热处理，通过合理控制冷却速度就能获得所需组织，达到性能要求。根据所需的组织和力学性能选择适当的冷却工艺。

退火在金属加工中有广泛应用：如钢铁及其零部件加工中，退火工艺可以消除加工硬化及各种加工过程中所引起的内应力；在高级优质合金钢的大型铸钢件制作中，退火工艺可以用改善组织结构和化学成分的不均匀性；退火工艺可以改善合金的断裂韧度、稳定组织，并达到理想的强度和塑性配合，使钛合金能在高温环境下工作。

玻璃加工中，用退火工艺将玻璃带中产生的热应力控制在允许的范围内，防止玻璃成型后由于热应力碎裂。

退火在集成电路、半导体元器件制备中发挥很大作用，产品广泛应用于逻辑芯片、存储芯片、CIS传感器、LED照明、5G通讯、电动汽车和消费类电子充电器等。在圆晶工艺中，退火可用来恢复晶体的结构和消除缺陷，从而降低漏电流，提高晶体管性能。氮化镓异质结薄膜制备中，合适的退火工艺可以提升薄膜的结晶质量，从而降低欧姆接触电阻。

焊接件以低于300℃进炉。加热温度：600-650℃，对薄壁、细长、大而薄的易变形焊接件，退火温度应取下限。加热速度：100-150℃/小时。保温时间：以焊接结构件最厚(或直径最大)的断面计算，厚度δ小于50mm时，每25mm为1小时；厚度大于50mm时，按（δ+150）/100计算。一般保温时间2-4小时。冷却速度：随炉冷至300℃以下出炉空冷。

目的：消除内应力和稳定尺寸，消除铸件的白口组织和提高铸件表面的硬度及耐磨性。普通灰铸铁去应力退火温度以550℃为宜，低合金灰铸铁为600℃,高合金灰铸铁是可提高到650℃。加热速度：一般选用60-120℃/小时。保温时间：由加热温度、铸件的大小和结构复杂程度以及对消除应力程度的要求决定。冷却速度：一般控制在20-40℃/h,冷却到200-150℃以下,可出炉空冷。

含β相稳定化元素较高的钛合金，其β相相当稳定，容易被过冷。过冷的β相，其等温转变动力学曲线与钢的过冷奥氏体等温转变图相似。为了缩短重结晶退火的生产周期并获得更细、更均匀的组织，亦可采用等温退火。

双重退火和三重退火是钛合金热处理过程中的重要工艺，其目的在于改善合金的断裂韧度、稳定组织，并达到理想的强度和塑性配合。这两种退火方式尤其适用于需要在高温环境下工作的钛合金。双重退火主要涉及两次加热和空冷过程。首先，合金被加热至接近再结晶终了温度，使组织发生再结晶，并生成适量的初生α相。随后，合金在空气中冷却。紧接着，合金再次被加热至低于再结晶温度但高于β相变点300~500℃的某一温度，并保温一段时间。这一过程使得在第一次退火空冷过程中形成的亚稳β相（对于较薄的工件，甚至可能形成马氏体相）得以充分分解，从而产生一定程度的时效强化效果。这样的处理使得合金具有与普通退火相近的强度、更高的断裂韧度以及在高温下更加稳定的组织。三重退火的过程与双重退火类似，但第二次退火被分为两个阶段进行。首次退火的目的和工艺与双重退火的第一阶段相同。接下来的第二次退火温度略低于再结晶开始温度，保温时间较短，这一步主要使成形工序中的热校形易于进行，并使组织进一步稳定。最后的第三次退火与双重退火的第二次退火相似，但保温时间可能稍短，其主要目的仍然是进一步稳定组织和实现时效强化。

真空退火是一种专门用于降低钛合金中氢含量的热处理工艺。由于钛合金极易吸收氢并导致氢脆现象，当氢含量超过规定值时，必须采取有效措施进行除氢处理。真空退火通过在600~890℃的温度范围内进行保温1~6小时，同时维持0.013Pa的高真空度，使得合金中的TH化合物发生分解并从合金中逸出。

在半导体工业中，硅晶晶圆需要进行退火。半导体在离子注入后，硅晶体的内部其实已经非常杂乱，大量的杂质并没有按照要求站到合适的位置上，而是停在了硅原子间的空隙中，这不但没有达到实现掺杂的目的，反而挤乱了硅晶体原有整齐的结构，破坏了晶体稳定的结构造成了“注入损伤”。为了消除注入损伤，需要在大约 1000℃ 的温度下对晶圆进行退火处理。高温所带来的动能可以使位置错乱的杂质原子获得很高的动能，并以较高的迁移率从而在晶体中移动，从间隙中回到正确的位置，让硅晶体的队伍结构再度整齐排列起来。

在AlGaN/GaN HEMT器件研究中，使用激光退火，可使AlGaN/GaN接触良好，减小接触电阻，从而提高器件性能。

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该页面最新编辑时间为 2024年7月14日