在第三章第一节中已经介绍了金属材料的微观结构、基本性能、常用材料的特点等基本知识，在这里将接续第三章的内容介绍另一部分金属材料的基本知识，它包括材料的冶炼方法、热处理方法及加工方法等。这些知识是工程设计中经常应用的基础知识，它们都无不与材料的性能有着密切的关系。由于这方面的内容与金属构件制造的关系比较密切，故作为金属材料的基本知识之二特放在本节进行介绍。
对材料性能的评定技术即检查试验技术也是工程设计中必不可少的基本知识，只有在材料工程师对各种检查试验知识了解的基础上，才能结合使用工况而提出合理的检查试验要求。由于检测技术也与金属构件制造的关系比较密切，故也将它放在本章里进行介绍。但考虑到各节内容的均衡和它的相对独立性，而将它放在下一节中介绍。
一、冶炼方法及其对材料性能的影响
有色金属与黑色金属的冶炼方法差异较大，而且前者的冶炼过程要复杂的多，故在此不再作介绍，仅就黑色金属的冶炼方法进行介绍。常用的黑色金属冶炼方法有转炉、纯氧顶吹转炉、平炉、电弧炉等方法。不同的冶炼方法采用的热源、氧化剂等不同，生产效率和生产成本也不同，而得到的材料质量也不同。应该说，冶炼对材料质量的影响是先天性的，而后续的加工方法和热处理等只能在此质量的基础上去进行有限度地改善或取舍。因此，材料工程师在了解各种冶炼方法的基础上，针对不同的使用条件，提出合理的冶炼方法要求，对管道设计的可靠性和经济性是很有意义的。
炼钢的主要任务是根据所炼钢种和对质量的要求，把铁或废钢中多余的碳和杂质元素脱掉，并加入适当的合金元素使其成为所需要的金属材料。当原料为生铁时，由于它的含碳量和杂质元素较多，故其主要任务是脱碳和脱杂。
现代的炼钢原理主要是利用氧在高温下使生铁中的碳和杂质得到氧化，进而作为炼渣或废气排掉。其反应式为：
2Fe + O2 ® FeO
Si + 2FeO ® SiO2 + 2Fe + 热量
Mn + FeO ® MnO + Fe + 热量
C + FeO ® CO + Fe － 热量
C + O2 ® CO2 － 热量
2P + 2FeO ® P2O5 + 5Fe + 热量
Fe + S ® FeS － 热量
Mn + S ® MnS － 热量
Mn + FeS ® MnS + Fe + 热量
最后剩余的FeO通过加入脱氧剂如铝、硅而将铁还原。对于由生铁直接炼钢的情况，炼钢过程将有大量的炼渣（SiO2、MnS等）和废气（CO、CO2等）排除，故由生铁直接炼成的钢材其化学成分偏差较大，非金属物夹杂及气孔都较严重，而且脱硫效果不好。对于由废钢作为原材料炼钢的情况，其脱碳、脱杂任务较轻，造渣量少，非金属物夹杂和气孔较少，而且化学成分较容易控制，故得到的钢材质量较好。因此，对于工程上应用的不同种类钢材和有不同质量要求的钢材，常采用不同的原材料和冶炼方法。常用炼钢方法的特点见表9-1所示。
表9-1 常用炼钢方法的特点比较
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转炉
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纯氧顶吹转炉
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平炉
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电弧炉
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主要原料
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液体生铁
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液体生铁、废钢
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生铁和废钢
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全部或大部分是废钢
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热源
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由空气中的氧氧化杂质（如碳、锰、硅、磷等）而产生的反应热
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由纯氧氧化杂质而产生的反应热
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重油、人造燃气燃烧产生的热
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交流电弧产生的热
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主要特点
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冶炼速度快，生产效率最高，生产成本低
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（同转炉）
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容量大，但冶炼时间较长，工艺过程易控制。如果采用吹氧技术，可提高生产效率。生产成本较高
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容量小，工艺过程易控制，便于添加合金元素，能冶炼易被氧化的元素和难熔金属的钢种，生产效率较低，生产成本高
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脱硫、磷效果
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能脱磷，但脱硫能力低
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能脱磷，脱硫效果一般不高
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脱磷尚可，能脱一部分硫
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脱硫、脱磷效果都较好
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脱气效果
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氢：≤5PPm
氮：0.014%
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氢：2PPm~5PPm
氮：0.004%
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氢：6PPm ~8PPm
氮：0.005%
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氢：4PPm ~7PPm
氮：0.006%
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综合质量
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一般
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较好
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更好
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最好
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用途
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炼普通碳素钢
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炼碳素钢和某些低合金钢
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炼普通碳素钢、优质碳素钢和低合金钢
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炼高合金钢和特殊性能钢
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不同冶炼方法对材料性能的影响可以从以下几个方面来看：
1、对脱气的影响
金属在冶炼过程中，当与空气接触时，空气中的氮、湿气分解出的氢等气体会溶入钢液中。除此之外，冶炼过程中还将产生一氧化碳和二氧化碳气体等。这些气体在钢液浇注时如果不脱掉，会对金属材料带来一系列不良影响。氮在钢中能提高钢的强度和硬度（但少量时作用不明显），但却使材料的塑性和韧性显著降低，尤其使材料低温脆性转变温度显著升高，故一般要控制其含量不大于0.008%；少量的氢存在于钢中就会对钢的质量产生不良影响。氢是导致钢材压力加工中产生白点的主要根源，也是导致铸造和焊接裂纹的主要原因，故一般材料中对氢含量都有严格的要求。大量的一氧化碳和二氧化碳存在会导致钢液浇注过程中产生气孔，故它们的多少是影响材料气孔多少的主要原因。显而易见，对转炉冶炼的钢来说，它是靠空气作为氧化剂进行氧化杂质的，其溶氢、溶氮的几率要大的多，故其脱气性不好。纯氧顶吹转炉是利用纯氧做氧化剂，其溶氮的几率就较小，且便于CO和CO2的逸出。而平炉是靠炼渣提供的氧化铁作为氧化剂，其溶氮几率更小，但如果炼渣除渣不好的话，氢溶量会增加。电炉是靠铁矿石或废钢屑作为氧化剂，故其溶氢、溶氮量均较少，而且产生的CO和CO2量也较少，故其脱气性最好。
2、对脱除硫、磷杂质元素的影响
从第三章中已经知道，硫和磷在钢中都是有害元素，因此希望它们的含量越少越好。除此之外，硫和磷在钢中的分布甚至存在形态不同，对材料性能的影响也不同。一般情况下，硫是以FeS作为非金属化合物存在的，它以片状或条状存在于材料中时，对钢材的基体会起到“割裂”作用，使材料的强度和塑性均降低，当它以偏析形式存在时影响更甚，当它以小颗粒分布存在时则影响较小。试验表明，以小球状存在于钢中的FeS，与以片状或条状存在时相比，将使材料的应力腐蚀敏感性降低（10~20）倍。磷的偏析将导致材料韧性急剧下降。不同的冶炼工艺其脱硫、脱磷等有害杂质元素的能力是不相同的，转炉、纯氧顶吹转炉和平炉对脱磷较有效，脱硫效果则不佳。电炉冶炼时脱硫、脱磷效果均较好。
3、对脱氧的影响
在钢铁冶炼过程中，都是通过氧化进行脱碳、脱杂的，因此最终的钢液中会含有多余的氧化物，如果多余的氧化物不进行充分还原，会在浇注时产生“沸腾”现象，从而得到的是沸腾钢。此时，因为有氧化物等非金属化合物的存在，会造成大量的成分偏析和内部杂质，从而导致材料的机械性能和耐蚀性较差。相反，脱氧较好的材料其气体含量低，钢锭中的气泡和疏松较少，机械性能和耐蚀性均较好。较高级的材料都是脱氧良好的材料。不同的冶炼原料和冶炼方法，其冶炼过程中的氧化物含量是不同的，最终得到的钢中的氧化物含量也不同，因此材料的品质也不同。
4、对化学成分偏差的影响
对于金属材料，尤其是对合金材料，其化学成分偏差越大，导致材料的性能越不稳定。反之，材料的化学成分越接近理想成分，越容易达到理想的性能。因此，实际工程中希望得到的材料其化学成分等于或者接近理论上的化学成分，而且偏差越小越好。不同的冶炼工艺其化学成分的偏差保证性是不同的，它们由好到差的顺序依次是电炉→平炉→纯氧顶吹转炉→转炉。
值得一提的是，随着技术的进步，一些先进的冶炼技术在不断地应用到金属材料的冶炼中，如AOD（氩气保护电弧精炼技术）、VOD（真空保护电弧精炼技术）和电渣重熔精炼技术已在国内外许多钢厂投入应用。其中，AOD和VOD炉外精炼技术可以获得脱气好、化学成分偏差小、杂质元素脱除好的优质材料。过去，超低碳奥氏体不锈钢因脱碳较难而一度成为较难获得、价格昂贵的材料，自采用炉外精炼技术以来，这类材料变得容易获得而且价格也降了下来。在抗晶间腐蚀方面，用超低碳奥氏体不锈钢代替稳定化奥氏体不锈钢已成为趋势。电渣重熔精炼技术¶以其脱硫、去磷效果好而倍受青睐，如果控制较好的话，它可使硫、磷含量达到双零以下（即0.001%以下），从而能显著提高材料的品质。由第三章介绍的理论可知，材料的应力腐蚀开裂、脆性断裂、氢腐蚀等无不与钢中的杂质元素的多少、分布、形态、偏析等有关，而采用精炼技术可有效地改善这些因素的影响，从而可大大提高材料的可靠性。工程设计中，材料工程师可根据使用条件来选择合适的冶炼方法。需要说明的是，炉外精炼技术的应用常伴随着材料生产成本的提高，故选用时应对其经济性和高质量进行综合考虑。
注¶：电渣重熔精炼技术是通过渣洗的作用，其脱氧、脱硫效果显著，钢的纯洁度较高，钢绽致密，偏析少，且自
下而上顺序凝固，铸造组织较好。
二、加工变形及其对材料性能的影响
压力加工变形是管道元件制造中常用的一种方法。例如管子和大口径管件基本上都是通过轧制、挤压或推制而成形的，而法兰、小口径管件多是采用锻造而成型的。管道元件的加工制造，以热加工变形为主，而少量的小尺寸、塑性较好的材料是通过冷加工变形而获得的。所谓的冷加工和热加工是以再结晶温度进行区分的，凡是在再结晶温度以上进行的加工变形称为热加工，在再结晶温度以下进行的加工变形称为冷加工。冷加工和热加工各有优缺点：冷加工是在材料的常温组织中进行塑性变形的，对于大部分材料来说，其组织变形抗力大，而且容易出现加工硬化现象，故对于大尺寸管件，尤其是当变形量较大时，加工便十分困难，需要的加工设备动力也较大。对于塑性较差的金属材料，甚至不能进行冷加工，此时容易发生脆断。但冷加工获得的产品尺寸精度较高，表面光洁，无氧化皮、过烧等热加工缺陷；热加工一般是将金属加热到AC3以上20℃~30℃的温度下进行的金属变形，此时材料的组织为易变形的高温奥氏体组织，变形抗力小，无加工硬化现象，故它是常用的加工变形方法。除此之外，通过热加工，还可以使铸态金属中的气孔、疏松焊合，从而使材料的致密度提高。热加工还可以使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂物的分布发生改变，使它们沿变形方向破碎拉长，形成所谓的“纤维组织”。但是热加工过程常伴随着金属的氧化，从而造成金属材料的利用率下降。氧化皮的存在也会影响到产品的表面质量。如果热加工的加热温度和加热时间控制不当，容易导致晶粒长大，从而降低材料的机械性能。热加工的产品外形及尺寸精度也较差。
下面就从金属的微观理论上来分析金属的热加工变形和冷加工变形对金属组织和性能的影响。
（一）加工变形对金属材料组织和性能的影响
在第三章中已经讲到，金属材料的塑性变形实质上是金属的晶格发生了滑移，同时伴随着晶格的压扁和拉长，由此也将带来金属材料组织和性能的一系列变化。归结起来，这些变化可以分为以下三个方面：
1、晶格滑移和晶粒破碎
当晶格受到的外力大于其原子结合力时，会产生晶格滑移，即晶体的一部分相对于另一部分沿滑移的方向（受剪应力最大的方向）移动一段距离，该距离一般为原子间距的整数倍。滑移的结果会在晶体的几何形状上造成台阶，即错位（常称位错）。随着金属塑性变形量的增加，位错的数量会增加，并导致晶粒破碎，使之形成新的晶粒（俗称亚晶粒）。在冷加工过程中，由于晶粒破碎和位错密度的增加，增加了晶格进一步滑移的抗力，使其塑性变形变得较困难，此时表现在金属的强度和硬度显著上升，而塑性和韧性下降。这种现象称为加工硬化现象。这就是冷加工变形不能进行大尺寸、大变形量加工的原因。在热加工变形过程中，由于原子获得了足够的活动能量，使晶格滑移和晶粒破碎很容易进行，而且呈现较小的变形抗力，故热加工过程中一般不存在加工硬化现象。
2、晶粒拉长和织构现象
在外力的作用下，晶格不仅会产生滑移，而且会发生形状和方向的变化。一般情况下，晶格会沿金属塑性变形的方向被拉长或压扁，或者晶格的取向向塑性变形方向发生偏转。当晶格被拉长或压扁时，其晶格常数发生变化，沿变形方向变大，垂直于变形方向变小。当变形量较大时，在微观上晶粒呈细条状或纤维状，而且此时的晶界会变得模糊不清。金属的这种组织称为纤维组织。当晶格取向发生偏转时，将使得金属材料中的每个晶粒方向都趋于一致，这种现象叫作织构现象，金属的这种组织叫织构组织。无论是金属的纤维组织或者是织构组织都将导致金属材料的性能呈方向性，此时金属沿塑性变形方向的强度和塑性都大于垂直于塑性变形方向的强度和塑性。这种现象在工程上一般是不利的，因为工程上应用的管道及其元件，受力都是比较复杂的，一般情况下，并不能确定那个方向的受力更大些。但管子及管件的制造工艺，是容易产生纤维组织和织构组织的，因为其变形大多是线性变形。为了防止单一的纤维组织或织构组织，在安排轧管和推制弯头的制造工艺时，应考虑同时发生轴向和径向的变形，以减少单一纤维组织和织构组织的影响。
3、加工残余应力
金属材料在外力的作用下发生塑性变形时，各部分的变形并不都是均匀一致的。例如当它受弯曲时，腹面与背面的变形就不相同。不均匀的塑性变形就意味着各处的晶格滑移和变形的量不同，为平衡这种不均匀变形而产生的内应力即为加工残余应力。同样道理，由于金属中各晶粒的晶格取向各不相同，滑移方向也各不相同，为平衡这种不均匀变形其各晶粒之间也将产生内应力。由于大量的位错等晶格缺陷而引起的晶格畸变使晶格处于极不稳定的状态，在原子力的作用下，它们都保持着恢复正常位置的趋势，为平衡畸变晶格的复原也将产生内应力。这几种内应力都属于加工残余应力。实验证明，由晶格畸变产生的内应力最大，是主要的加工残余应力。加工残余应力的存在会给材料的性能带来一系列不利的影响：它会使材料的强度略有升高，但塑性和韧性却大大降低；在高温条件下使用时会因应力松驰而引起产品的变形；在腐蚀环境中使用时使材料更易遭受腐蚀。有资料报道，管道中的应力腐蚀开裂大多数是由焊接残余应力和加工残余力造成的，这是因为不仅这样的残余应力值比较大，而且这个残余应力的存在标志着金属原子位于不稳定的组织状态，势能较高，更容易与其它化学物质发生化学反应而遭受腐蚀。故工程上一般是不希望有加工残应力存在的，尤其是在有应力腐蚀倾向的环境中工作的材料，均应进行适当的热处理以消除加工残余应力。
应该说，加工残余应力均是在再结晶温度以下进行塑性变形时才可能产生的，因为在高温（再结晶温度以上）下完成的加工变形，在随后的冷却过程中会因为金属的再结晶而使加工残余应力得以消除或减弱。故对一些材料，当其加工变形是在再结晶温度以上完成时，可不进行热处理。
（二）加工变形后材料性能的恢复及改善
如上所述，材料在经过加工变形后，会出现晶格畸变、晶格破碎、加工残余应力等不良现象。如果金属的加工变形是在再结晶温度以上完成的，上述现象对材料性能的影响会在随后的冷却过程中得以消失和缓解。对不同的材料，不同的变形量，其消失或缓解的程度是不同的。金属材料的淬硬性越强，制造缺陷消失或缓解的程度越低，因为此时它可能来不及恢复和改善，材料的正常相变就已经完成。故对有些材料在加工变形之后需要热处理，有些则不需要热处理，其原因就在于此。金属的加工变量越大，制造缺陷恢复和改善所需要的时间越长，自然冷却时有时可能会达不到所需要的足够时间和温度要求，此时也应考虑进行热处理。对冷加工成型的产品来说，其制造缺陷没有得到恢复和改善的温度条件，故一般在加工后均要进行适当的热处理。
金属在加工变形后，无论是其晶格畸变、晶格破碎，还是残余应力的存在，都使得金属原子的势能升高，从而使金属材料处于不稳定状态。一旦对材料进行加热，提高了金属原子的活动能力，并给予充分的“调整”时间，便会使材料的组织和性能得到恢复和改善。加工变形后进行热处理就是经常采用的方法。
不同的热处理，或者说不同的加热温度，对材料性能的恢复和改善是不同的，下面就来看一下不同的加热温度对加工变形后金属材料性能和组织的影响。
当加热温度较低时，原子具有一定的活动能力，但活动能力不够大，此时可造成位错的迁移，使晶格畸变产生的晶格弹性弯曲现象得以消失，从而消除或缓解了因晶格畸变而产生的加工残余应力。但由于此时原子的活动能力较低，使得破碎的晶粒没有形成新的稳定的晶粒，晶格的拉长状态也没有改变，故金属的组织仍处于不稳定状态。此时金属材料的强度和硬度略有下降，但塑性和韧性没有太大的提高。材料的组织和性能在该温度下的变化过程称为回复。
升高加热温度，原子有了足够的活动能力，使原来不规则的位错重新排列，形成新的晶粒，或者使被拉长的晶粒重新组合而形成新的晶粒。经过一定时间后，这些新晶粒会与相邻的晶格取向相近的其它新晶粒合并，形成稳定的正常晶粒。这一过程实际上是一个结晶过程，但由于该结晶过程只是原破碎晶粒的重新组合，并没有发生晶格形式的变化，新晶粒的晶格形式与旧晶粒相同，故称这种结晶形式叫再结晶。通过再结晶，加工变形后的金属组织发生了彻底改变，加工变形的不良影响得到消除，材料的机械性能得到完全恢复。
继续升高加热温度或延长加热时间，金属的晶粒会继续长大，因为通过晶粒长大，晶界的面积可以减少，表面能便会降低，所以晶粒长大也是一个降低能量的自发过程。可见，管子及其元件无论是在热处理的加热过程，还是在热加工的加热过程，如果加热温度过高，或加热时间过长，都产生成晶粒粗大的金属组织，而这种组织是我们所不希望得到的组织。故控制加热温度和加热时间是保证获得内在质量较好产品的一个很重要因素。
回复、再结晶和晶粒长大对材料机械
性能的影响如图9-1所示。由图中可知，
变形金属被加热到再结晶温度区间时，可
获得较好的综合性能。那么再结晶温度如
何确定呢？
首先需要指出的是，没有经过冷加工
变形的金属材料是不会发生再结晶的。只
有经过冷加工变形，才有晶粒破碎和晶粒
再生过程，也就是说才有再结晶过程。而
对于热加工变形过程，虽然它也伴随有晶
粒破碎和再生过程，但它发生在加工变形
过程中和之后的冷却过程中，若重新对它
加热已不再有再结晶发生。此时对它进行
的热处理主要是消除淬硬组织而不是使其
再结晶。这部分的论述将在随后的热处理 图9－1 变形金属在不同加热温度下的性能曲线
中介绍。
前文已经讲到，金属的加工变量越大，其缺陷的恢复和改善所需要的时间越长，也就是说，再结晶过程与冷加工变形的塑性变形程度有关。塑性变形程度越大，意味着晶粒破碎的程度越大，产生的位错等晶格缺陷也越多，因而会使再结晶较早开始进行，即再结晶温度较低。但再结晶温度并不是随着变形度的增加而一直减小，它存在一个极限值，在低于这个极限温度后，既使金属的变形度再大，再结晶也不会发生，这是因为此时的金属没有获得再结晶所需要的足够能量。再结晶温度的极限值称为最低再结晶温度。实验告诉我们，各种金属的最低再结晶温度（Tr）与其熔点（Tm）大致存在如下关系：
Tr ≈ 0.4Tm
除金属的塑性变形度对再结晶温度有影响外，加热的速度和时间对再结晶温度也有影响，因为再结晶过程需要有一定的时间才能完成。增加加热速度，会使再结晶推迟到在较高的温度下发生。加热保温时间越长，原子的扩散移动进行的越充分，可使再结晶在较低的温度下进行。对碳钢来说，其消除加工残余应力的高温回火温度一般为500℃~650℃，其再结晶退火温度一般为680℃~720℃。
值得一提的是，金属的塑性变形程度（即变形度）对金属的晶粒度是有影响的。一般情况下，金属的变形度越大，变形越均匀，再结晶后的晶粒便越细。当变形度较小时，由于金属晶粒破碎较少，发生再结晶的晶粒量较少，此时金属的晶粒度基本上仍保持原来的大小不变。如果塑性变形不均匀，再结晶发生的位置和形核数量也是不均匀的，此时晶粒容易相互合并而长大，从而形成粗大晶粒和不均匀晶粒组织而影响材料的机械性能。一般情况下，金属的变形度为2%~10%时，容易造成金属中的变形不均匀。在锻制管件中经常提到的锻造比问题，实际上就是这里所说的变形度。如果锻造比不够，则容易产生不良组织（粗大晶粒和不均匀晶粒组织），故工程上对锻件的锻造比都有一个最小要求，例如JB4726《压力容器用碳素钢和低合金锻件》标准规定：采用钢绽锻造时，锻件的主截面部分的锻造比不得小于3，采用坯料或轧制材料锻造时，锻件的主截面部分的锻造比不得小于1.6。
三、热处理及其对材料性能的影响
热处理是指通过一定的加热、保温及冷却的操作过程，使金属的组织和性能发生一系列变化，以获得所需要的性能的一种工艺。
热处理在工程中的应用是十分普遍的，无论是在管子及其元件的制造过程，还是在施工现场的焊接过程，都经常用到热处理。综合起来说，热处理有以下作用：
a、改变材料的机械性能；
b、改变材料的金相组织；
c、改变材料的耐腐蚀性能；
d、改变材料的加工性能；
e、消除材料中的加工或焊接残余应力等。
例如，通过退火热处理，可以获得较好的塑性和韧性；通过淬火可以获得较高的强度；通过调质处理可以获得良好的综合机械性能；通过表面淬火或表面渗碳、渗氮处理，可以获得较高的表面硬度和较好的耐磨性等。
例如，通过退火或正火可以改善铸件的不均匀组织；通过调质处理可以获得晶粒较细、性能较好的索氏体组织；通过回火可以消除不良的马氏体组织等。
例如，通过固溶处理和稳定化热处理可以改善奥氏体不锈钢的抗晶腐蚀能力；通过回火可提高金属及焊缝抗应力腐蚀的能力等。
例如，通过退火可以消除冷加工变形的加工硬化现象，以便于进一步的加工；通过退火或淬火，可以改善金属的硬度，从而改善切削加工性能等。
例如，通过高回温火或退火，可以消除加工变形残余应力、焊接残余应及铸造应力，以改善材料的机械性能、抗腐蚀性能和尺寸稳定性能等。
因此可以说，无论如何强调处理的重要性都是不过分的。作为材料工程师很有必要了解各种常用热处理工艺的特点及作用，以便结合应用工况，提出合适的热处理要求，以期获得所需要的材料性能，使之满足工程应用要求。
根据加热、冷却方法及热处理的目的不同，可将热处理大致分为图9－2所示的几种：
退火
淬火
热处理 回火
火焰淬火
渗碳
渗合金 图9－2 热处理分类
下面逐次介绍常用热处理方法的工艺特点及作用。
（一）退火
将金属材料加热到临界温度（相图中的A3、A1、Acm温度线）以上，并保温一段时间，然后缓慢冷却的热处理过程叫做退火。
由于退火热处理冷却速度缓慢（一般在炉内冷却），故最终得到的组织（退火组织）接近平衡状态组织。但一般退火热处理用的时间比淬火、正火及回火长，故费用较高。它不宜用作施工现场的焊后热处理。
通过退火热处理，可以达到下列目的：
a、细化铸件中的粗大晶粒，改善其机械性能；
b、消除偏析，改善铸造、轧制、锻造和焊接过程中的组织缺陷；
c、消除加工、焊接、铸造产生的残余应力，改善材料的耐蚀性能，并起到稳定产品尺寸和外形的作用；
d、降低材料硬度，提高材料的塑性和韧性，以利于切削加工和冷变形加工。
根据热处理的目的不同，常用的退火热处理可分为完全退火、等温退火、扩散退火、再结晶退火和低温退火等五种。
1、完全退火
完全退火是将材料加热到AC3以上30℃~50℃的温度，保温一定时间后，随炉（或埋在石灰中）冷却至500℃以下，然后在空气中冷却。这种退火工艺得到的组织基本上接近平衡组织（对亚共折钢，其组织为铁素体+珠光体组织），故它反映出来的材料机械性能为正常性能（基本性能）。通过完全退火，可以达到消除残余应力的目的，同时在一定程度上可细化晶粒，消除偏析。但用它来消除残余应力成本偏高，而细化晶粒、消除偏析、均匀化学成分的作用又不及扩散退火，故完全退火在工程上很少用，而是常用于淬火等其它热处理前的预热处理。
2、等温退火
等温退火是将材料加热到AC3或AC1以上30℃~50℃的温度，保温一定时间后，以较快的速度冷却到Ar1以下的珠光体转变温度，并在该温度下作长时间的恒温，使金属的高温奥氏体组织充分转变为珠光体组织，然后在空气中冷却。这种退火工艺的实质就是实现材料的珠光体组织转变，使材料最终得到的组织为珠光体组织。我们知道，珠光体组织的材料具有良好的综合机械性能，故它在工程上的应用比较多。
3、扩散退火
扩散退火是将材料加热到AC3以上150℃~250℃温度，保温足够长的时间（一般为10~20小时），然后随炉冷却。由于扩散退火的加热温度较高，加热时间较长，使材料的原子有了充分扩散迁移的能量和时间，从而可以消除材料中的化学成分不均匀性和偏析。扩散退火后得到的组织接近平衡组织，但容易造成晶粒粗大。它适用于铸件的热处理，但由于其费用较高，故只有在必要时才考虑使用。
4、再结晶退火
再结晶退火是针对冷加工变形材料进行的一种热处理。它是在材料变形完成后将其加热至再结晶温度，保温一定时间后缓冷至常温的一种热处理方法。前面已经讲到，经过冷变形后的材料，通过再结晶退火可以使材料的组织和性能得到恢复及改善。
5、低温退火
低温退火是将材料加热到A1以下某一个温度（对于常用碳钢来说一般为500℃~650℃），保温一段时间后随炉冷却至300℃，然后空冷至常温。低温退火的作用主要是改善材料中的加工变形，消除焊接和铸造残余应力等。由于加热温度在A1以下，故该过程基本上没有组织变化。只有当材料中有过冷奥氏体存在时，它才会有过冷奥氏体的组织转变。低温退火的作用与高温回火相同，但二者有稍许差别，前者的保温时间较长，冷却速度也较慢，故各种残余应力的消比较彻底，但其成本比高温回火高。当产品对各种残余应力的要求不是太苛刻时，一般都是用高温回火代替低温退火。工程上实际应用较多的是高温回火。
由此可见，退火热处理一般都表现出加热温度高、加热时间长、冷却速度慢的特点。因此，如果处理不当，可能会给材料的性能带来一些不利的影响。例如，金属材料长时间处于高温下时有晶粒长大的倾向，故在进行退火热处理时，要防止产生晶粒粗大的组织。金属材料长时间处于高温下时，还容易产生过烧或脱碳现象，它也将影响到材料的性能。
（二）正火
将金属材料加热到AC3或Accm以上30℃~50℃的温度，保温一段时间（一般比退火保温时间短）从炉中取出在空气中冷却的过程叫正火。
与退火热处理相比，正火的最大特点是冷却速度较快，晶体结晶时的过冷度较大，故得到的晶粒比退火细，材料的综合机械性能较退火好（强度较高，而塑性和韧性也比较好）。正火得到的最终组织比较复杂。对于淬硬性较低的材料，其组织以铁素体和珠光体为主，并有少量的马氏体和贝氏体组织。但此时的贝氏体和马氏体组织的量较少，对材料性能的影响不显著。对淬硬性较强的材料，组织中的马氏体量会增加，甚至完全出现淬火马氏体组织淬硬组织，故对这样的材料，一般不能以正火作为最终热处理，而往往在正火之后再进行一次高温回火，以消除淬硬组织。
通过正火热处理，可以达到以下目的：
a、对于淬硬性不高的材料，作为最终热处理，可获得较好的综合机械性能；
b、对于中、低碳结构钢，可作为中间热处理，以改善其切削加工性能；
c、可在一定程度上细化铸件中的粗大组织，改善其偏析情况，但效果不如退火；
d、对淬硬性较强的材料，淬火前进行正火，可减少产品开裂和变形的倾向。
正火比退火的成本低，生产效率高，且晶粒长大的倾向小，金属的脱碳和烧损少，故它在工程上得到了普遍应用。
值得一提的是，奥氏体不锈钢的稳定化热处理与正火热处理的工艺过程相似，它是将材料加热到大约850℃~950℃的温度，保温约2小时左右，然后利用空气冷却的工艺过程。但它与一般的正火热处理是不同的，它的目的在于给材料中的碳和稳定化元素（钛和铌）以足够的能量和时间，让它们充分结合形成稳定的碳化物，以消除奥氏体不锈钢的晶间腐蚀倾向。目前，关于稳定型奥氏体不锈钢要不要做稳定化热处理的问题存在争议，反对者认为，既然将固溶热处理作为其最终热处理条件，那么它就获得了较好的强度、硬度，同时组织中的晶粒比较细，如果此时再进行稳定化热处理，将会降低其已有的硬度和强度，同时由于稳定化热处理过程的保温时间较长，有晶粒长大的倾向。同意者认为，作为管道材料，是避免不了现场焊接操作的，而焊接将破坏焊缝及其热影响区的固溶效果，使焊接接头处丧失抗晶间腐蚀的能力，但现场的焊接接头处又不宜做固溶处理，故为了保证焊接接头处的抗晶间腐蚀能力，应做稳定化热处理。笔者是持肯定意见的。此时应注意，稳定化热处理只对稳定型奥氏体不锈钢有意义，且焊后的稳定化热处理只有当原材料在制造中已进行了稳定化热处理时才有效。
（三）淬火
将材料加热到AC1或AC3以上30℃~50℃温度，保温后快冷的工艺过程叫淬火。
与正火相比，淬火的冷却速度更快，结晶时的过冷度更大，因此导致大量的过冷奥氏体转移到较低的温度下进行转变。从第三章的第一节中已经知道，此时得到的组织主要是马氏体组织，它的存在导致材料的强度和硬度大幅度上升，而塑性和韧性则大幅度下降。马氏体组织是一个不稳定组织，它会通过常温时效而使材料尺寸和形状发生变化，也会导致材料的耐蚀性下降，故对于流体输送用的管子及其元件来说，不希望其最终组织为马氏体组织。这种情况下，淬火往往是作为预处理，随后进行高温回火处理，可以获得优良的综合机械性能，因为淬火过程过冷度较大，结晶形核数量较多但又没有充裕的时间长大，因此得到的晶粒较细，再加上回火后马氏体转变成了性能较好的索氏体或屈氏体，故使得材料的综合性能优于退火和正火。人们习惯上把淬火+回火的热处理方法叫调质热处理。但对于要求耐磨的材料，马氏体组织可以作为最终组织。
工程上，淬火的目的主要有以下几方面：
a、提高材料的硬度和耐磨性。例如阀杆和阀板的热处理；
b、淬火+低温回火，可提高材料的弹性。如弹簧的热处理即如此；
c、淬火+高温回火，可获得优良的综合机械性能。
淬火热处理在工程上是一个比较难以控制的热处理过程，如果控制不好，反而会导致材料的性能变坏，这也是它在石化管道上应用不多的主要原因。ASTM材料规范规定，当制造商同意时，才采用淬火+高温回火热处理，而对于用户无特殊要求时，一般都是采用正火或正火+回火以代替淬火+回火热处理。
影响淬火热处理效果的因素主要有以下几方面：
1、加热参数的影响
加热参数包括加热温度、加热速度和加热保温时间。
加热温度太高时，将得到粗片状马氏体组织，同时引起产品较严重的变形，甚至引起产品的淬火开裂。加热温度太低时，可得到非马氏体组织，从而降低材料的硬度、耐磨性和调质效果。
加热速度太快时，会造成较大的温度梯度，从而产生较大的热应力和组织应力，对于形状复杂的产品，这些应力会导致产品的变形和开裂。当然，对于正火和退火，过大的加热速度也会导致这样的结果。如果加热速度太慢，虽然对淬火组织影响不大，但却增加了热处理时间，也增加了热处理成本。
加热保温时间太长时，产生的影响同加热温度较高时相同。如果加热保温时间较短，奥氏体转化不完全，将导致淬火后的组织中出现非马氏体组织。
2、冷却速度及冷却介质的影响
前文提到的淬火控制难度大主要是指其冷却速度控制难度大，这是因为，淬火后要想得到马氏体组织，必须要有足够快的冷却速度，使其转变温度迅速跨过珠光体类和贝氏体类转变温度区，而使大量的过冷奥氏体在马氏体转变温度下进行转变。然而，冷却速度过快，会造成较大的热应力和组织应力，从而导致产品的变形和开裂，而此时的热应力和组织应力远大于加热时的应力值（因加热升温速度远小于冷却降温速度），故冷却时开裂和变形的可能性更大。如何处理这个矛盾是十分棘手的事情。事实上，要想得到淬火马氏体组织，并不需要整个冷却过程的冷却速度都很快，而只要在珠光体和贝氏体转变温度区间快速冷却即可。在马氏体转变温度区间，冷却速度应控制在较小值，以利于过冷奥氏体的充分转变，否则会残留部分过冷奥氏体在组织中，从而降低材料的硬度。冷却速度放慢，还有利于减小热应力和组织应力。所以理想的淬火冷却速度是一个变化的冷却速度，但能达到这一要求的冷却介质却很难找到。
目前，常用的淬火冷却介质有水、盐水和油。
采用盐水作冷却介质时，由于盐水中的氯化钠晶体在产品表面的析出和爆裂，有效地破坏了产品表面的蒸汽膜，故其冷却速度比清水快，因此它常用于淬硬性不强、形状简单的产品。
油的导热率与水相比比较低，故材料在油品中的冷却速度也比较低，大约是在水中冷却速度的四分之一，因此油品作为淬火冷却介质时，常用于淬硬性较强的材料。
3、材料淬透性的影响
所谓金属材料的淬透性，是指它淬火后获得马氏体层深度的能力。它与淬硬性不同，后者是指淬火后获得马氏体最高硬度的能力。
可想而知，对于一个厚度较大的金属产品，当冷却时，由于表面与芯部存在温度梯度的原因，可能会使芯部得不到足够的冷却速度而形不成马氏体组织。在随后的回火过程中，其表面和芯部的组织也就不一样，从而导致材料机械性能的下降。
除了冷却速度对材料的淬透性有影响外，化学成分则是影响淬透性的主要因素。材料的含碳量越高，产生马氏体的倾向越大，故材料的淬透性越大。试验证明，大多数合金元素如Mn、Mo、Cr、Al、Si、Ni等都能显著提高材料的淬透性和淬硬性，这些合金元素含量较高的高合金钢，有强烈地马氏体转变能力，有的甚至在正火过程中就可产生马氏体组织。
值得一提的是，奥氏体不锈钢的固溶热处理从方式上说基本上属于淬火热处理，但它又不同于一般的淬火热处理。因为奥氏体不锈钢常温组织就是奥氏体组织（它是通过加入大量的铬和镍元素使其奥氏体相区（γ相区）扩大到常温范围内），故它不存在淬硬的问题。此时的固溶处理实质上是将材料加热到一定的温度（一般为1050℃~1150℃），并保温一定的时间，使过剩的碳原子充分固溶到高温奥氏体中，然后进行急冷，使碳原子来不及在冷却时再次从奥氏体中析出（高温奥氏体与常温奥氏体的溶碳能力不同），从而得到过饱和的奥氏体固溶组织。固溶热处理的目的主要是防止过剩的碳在晶界上析出，从而导致奥氏体不锈钢的晶间腐蚀敏化。
（四）回火
将材料加热到AC1以下某个温度，保温后自然冷却下来的热处理工艺过程叫回火。
应该说，在材料中如果没有不稳定的晶格畸变，或者没有不稳定的低温组织，那么金属的回火热处理是没有什么意义的。但很多产品在变形加工完成或焊接之后，可能会存在不稳定的晶格畸变问题，而晶格畸变的存在在金属内将产生较大的内应力，这个内应力会导致材料机械性能（主要是塑性和韧性）和耐腐蚀性能的下降，严重时会直接导致金属材料的开裂或延迟开裂。此时对金属材料进行回火热处理，可消除其内应力，从而使材料的性能得到改善和恢复。
另一方面，金属材料经过正火或淬火后，会得到不稳定的马氏体和少量的过冷奥氏体组织。马氏体的存在使材料的硬度和强度升高，但却使其塑性和韧性大幅度下降。过冷奥氏体的存在会使产品的形状和尺寸不稳定，甚至长时间常温静置都会使它发生转变。过冷奥氏体的转变过程又常伴随着体积的变化，从而引起产品的尺寸和形状变化。此时对材料进行回火热处理，可以使不稳定的马氏体组织和过冷奥氏体组织发生转变，从而成为稳定的其它组织。
一般情况下，正火后得到的组织中主要是铁素体和珠光体，而马氏体和过冷奥氏体的量很少，有时可以忽略不计，此时对正火后的材料进行回火热处理是没有意义的，故工程上应用的某些低碳钢，经正火后不再进行热处理的道理正在于此。而对淬硬性或淬透性较强的材料，正火后组织中得到马氏体和过冷奥氏体的量比较多，以致不能再忽略不计，有些材料甚至正火后得到的组织就是淬火组织，故此时就需要象淬火一样，正火后再进行回火。为了论述方便，这里仅以淬火组织进行回火处理的转变过程进行介绍，而正火后的回火则视材料不同而比照处理。
淬火组织在回火过程中将发生下列四个阶段的转变：
1、第一阶段转变：它是发生在80℃~200℃温度区间的转变。当加热到该温度区间时，淬火组织中的马氏体将部分分解，并生成与它共格的ε碳化物（Fe2.4C），使马氏体的过饱和碳含量降低，得到的组织为回火马氏体组织。而在温度低于80℃时，由于碳原子没有得到迁移所需的足够能量，故没有转变发生。
由于此时的ε碳化物极为细小，又与马氏体共格，故其基本组织仍为过饱和的固溶体组织。此时材料的机械性能没有发生太多的变化，仅仅是降低了淬火组织应力和材料的脆性。第一阶段转变过程又称低温回火。低温回火常用在刀具和量具的调质处理中。
2、第二阶段转变：它是发生在200℃~300℃温度区间内的转变。当温度加热到该温度区间时，材料中的残余过冷奥氏体开始转变，生成回火贝氏体。因为该阶段的马氏体转变仍不明显，因此残余过冷奥氏体的转变成了影响材料性能变化的突出因素，最终得到的回火马氏体+回贝氏体组织导致了材料脆性的明显增加，行业中又常称材料的这类脆性为第一类回火脆性。这类回火脆性在工程上是毫无意义的，而且也不能通过其它处理方式将它消除，故工程上常避免在该温度区间内进行回火。
3、第三阶段转变：它是发生在350℃~500℃温度区间的转变。当加热到该温度区间时，过饱和的碳原子相继从α－Fe固溶体内析出生成渗碳体，而且第一次转变产生的ε碳化物也逐渐变为渗碳体（Fe3C），从而得到回火屈氏体组织。此时材料的内应力大大减少，其硬度和脆性也显著降低。但由于此时的渗碳体尚未长大，而是以细小的颗粒存在于铁素体之间，故材料仍保持较高的强度和较好的韧性。这一转变过程称为中温回火。中温回火常用在弹簧的调质处理中。
4、第四阶段转变：它是发生在500℃~650℃温度区间的转变。当加热到该温度区间时，第三次转变过程中的粒状渗碳体开始发生聚合，使得原来的α－Fe固溶体和渗碳体发生回复和再结晶，从而形成回火索氏体组织。此时淬火马氏体产生的固溶强化作用和晶格畸变强化作用已完全消失，材料得到了优良的综合机械性能。这一过程称为高温回火。高温回火是工程中最常用的一种回火。
需要指出的是：对于含Cr、Mo、Si等元素的合金钢，当长时间在500℃~650℃温度区间停留时，会出现回火脆化现象，行业内常称之为第二类回火脆性。第二类回火脆性产生的主要原因是材料中低熔点的杂质元素锑、磷、锡、砷在晶界偏聚所致。这类回火脆性可以通过加热到高温回火温度，然后急冷而加以消除。
（五）表面热处理
顾名思义，金属材料的表面热处理是指仅对金属材料的表面进行热处理，而材料内部的组织和性能不发生变化，从而仅使材料表面获得特殊性能的工艺过程。一般情况下，表面热处理分为两大类：即表面淬火和表面化学热处理。表面淬火时，仅材料表面的组织有变化，即表面出现淬硬马氏体组织。表面化学热处理时，材料表面的组织不仅有变化，而且化学成分也发生了变化。
表面热处理主要是用来改变金属材料表面的耐磨性和耐蚀性，而内部则保持着正常的综合机械性能。有这种性能要求的情况有时仅靠选用材料来实现是比较困难的。这种热处理方法在管道工程上的应用并不多，仅一些阀门的运动部件（如阀杆）会用到这些热处理方法。
1、表面淬火热处理
将金属表面加热到淬火温度以上，然后快速冷却使金属表面得到淬硬组织的过程叫表面淬火。通常采用的表面淬火方法有感应加热表面淬火方法和火焰加热表面淬火方法两种。
感应加热表面淬火方法通常是以交变电磁场作为加热手段，因此它具有加热速度快、加热均匀、加热温度易控制等优点，故得到的表面淬火质量较好。但它需要复杂的专用设备，投资较高，对于具有复杂外形的产品，加热线圈调整较难，故它通常适用于大批量、外形简单的产品表面热处理。
火焰加热表面淬火方法是利用氧－乙炔气等燃料燃烧而对材料进行加热，因此它的加热速度较慢且不均匀，得到的表面淬火质量不如感应加热法。但它无需较贵的专用设备，操作比较灵活，故可用于小批量、具有复杂外形产品的表面淬火。
表面淬火仅能提高材料表面的硬度和耐磨性，而其耐蚀性和抗疲劳性比较差，故阀门运动部件如阀杆现在已很少采用这种热处理方法了。
2、表面化学热处理
将金属产品放入特定的介质中，对它们加热、保温，使欲渗入的元素以活性原子状态进入材料的表层中，以达到改善材料表面性能的过程叫表面化学热处理。工程中用的较多的是渗碳、渗氮、渗铬和渗铝。
渗碳方法通常是将被渗产品放置在一氧化碳的气体介质中，然后加热到产品的奥氏体转化温度并进行保温，从而使从一氧化碳中分解出的碳原子渗入材料表层中的过程。此时碳原子既可能以固溶方式存在，又可能以渗碳体的形式存在。渗碳后进一步进行表面淬火可获得比表面淬火具有更好耐磨性的材料表面，此时材料表面的抗疲劳性也有少量的提高，但其耐蚀性尚差。
渗氮方法通常是将被渗产品放置在无水氨气中，然后加热到500℃~560℃并进行保温，从而使氨气中分解出的氮原子渗入到材料表层的过程。渗氮后的金属表面既具有较高的硬度和耐磨性，又具有较好的耐蚀性和抗疲劳性。但是，由于渗氮温度较低，生产周期较长，而且表层的氮化物较脆，故常常用氰化（即碳、氮共渗，但以渗氮为主）来代替。许多阀门制造商的阀杆都采用了渗氮或碳、氮共渗的热处理方法。
在近几年与国外的阀门制造商接触过程中，阀杆渗铬的热处理用的比较多，尤其是高压阀门中，除对阀杆的硬度和耐磨性有较高的要求外，阀杆的韧性、抗疲劳性、耐蚀性都有较高的要求，在这方面渗铬则比渗氮或氰化更具有优越性。
产品的渗铝主要是用来抗腐蚀的。钢材渗铝后，会在表面形成一层Al2O3薄膜，这个薄膜的化学稳定性、抗氧化性都比较好，附着力也很强，用在抗高温硫、高或低温硫化氢、环烷酸、高温氧化等腐蚀介质中都表现了良好的耐腐蚀性能。表面渗铝的材料是一种良好的石油化工生产中的耐腐蚀材料，故该工艺一经推出，很快得到了推广应用。但对于工艺管道来说，存在着现场大量焊接的问题，而渗铝钢在焊接后，焊缝处的渗铝层会被破坏，从而在焊缝处形成了耐腐蚀的薄弱区，目前渗铝钢的焊接问题尚在研究中。
思考题：
1、冶炼方法对金属材料的性能主要有哪些影响？
2、常见的冶炼方法有哪些？各有何特点？
3、压力加工变形对金属材料有哪些主要影响？
4、冷加工变形和热加工变形相比，有何特点？
5、加工残余应力产生的原因有哪些？
6、什么叫加工硬化？
7、什么叫再结晶？
8、影响材料回复与再结晶的因素有哪些？
9、金属材料的热处理对其性能有哪些影响？
10、退火的作用有哪些？
11、什么叫等温退火、完全退火和扩散退火？各有何特点？
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、影响材料淬火效果的因素有哪些？
15、什么叫回火？试述金属材料在回火过程中的组织转变？
16、常用的金属材料表面化学处理有哪些？各有何特点？
普通热处理 正火
表面淬火
表面热处理 感应淬火
化学热处理 渗氮
