退火

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退火Annealing)在冶金學材料工程中,是一種改變材料微結構且進而改變如硬度強度等機械性質的熱處理

過程為將金屬加溫到某個高於再結晶溫度的一點並維持此溫度一段時間,再將其緩慢冷卻。退火的功用在於恢復因冷加工而降低的性質,增加柔軟性、延性韌性,並釋放內部殘留應力、以及產生特定的顯微結構。退火過程中,多以原子或晶格空位的移動釋放內部殘留應力,透過這些原子重組的過程來消除金屬或陶瓷中的差排,然而這項改變動也讓金屬中的差排更易移動,增加了它們的延性。

鋼鐵黃銅的案例中,退火需要歷經很高的高溫,通常都要讓加熱到金屬熾熱為止,並維持一段時間再冷卻。不像其它含鐵的合金需要緩慢冷卻,銅、銀[1]和黃銅他們可以在空氣緩慢冷卻,也可以快速在水中淬火。退火過後的金屬之後可以再拿去做進一步加工,如沖壓、塑造、成形等。

熱力學上的退火[编辑]

金屬在冷加工時,所施加的能量大部分會以熱能的方式消耗掉,然而有少部分以應變能的形式殘留於金屬中,並大量產生金屬中的差排數目。另外,冷加工後,金屬塑性變形所產生的點缺陷同樣也會提供應變能的來源。

在熱力學中,塑性變形的金屬和退火的金屬,兩者的吉布士自由能差大約等於儲存的應變能。雖然塑性變形會增加金屬的,但增加的效應遠小於應變所增加的內能。因此[2]

\Delta G = \Delta H - T \Delta S ,

可簡成

\Delta G \approx \Delta H.

也因為塑性變形的金屬自由能較大,故它可以自發系統會自發(Spontaneous)回復平衡狀態[2]。然而因為結構複雜的問題,不可能依靠簡單的反應回復成退火的狀態,它需要許多不同的反應回復。在釋放應變能的過程,稱為應力釋放(stress relief),雖然這段過程為熱力學上自發程序,但在室溫中反應速率相當緩慢,因此退火一開始的加熱措施。就是把這些反應利用加熱來提高它的反應速率,加速金屬釋放儲存能[2]

受過冷加工的金屬,它可以透過許多反應途徑釋放應變能,其中大部分是透過消除金屬內的晶格空位濃度梯度。晶格空位的產生遵守阿瑞尼士方程式,而空位的移動和擴散須遵守菲克擴散定律(Fick's law of diffusion)[3]

透過消除晶體結構的空位和差排,可以消除內部應力外,還可以改善機械性質,如硬度延展性等。因加熱至特定溫度在冷卻,可讓原子置於合適的晶格位置,使新的晶粒改善機械性質。

退火步驟[编辑]

退火過程中間會有三個階段。

  • 第一階段是回復(recovery)。在回復的過程中,晶體內部缺陷(例如空位)會移動回復到正常晶格位置,同時內部應力場也會跟著消失。在回復階段,先前的冷加工過的金屬其電、熱傳導等性質將回復成原來狀態[4]
  • 第二階段是再結晶(recrystallization)。再結晶過程中,新的晶粒成型,當退火過程繼續進行中取代原本因內在應力而變形的晶粒[4]
  • 再結晶完成時,晶粒成長(grain growth)就會開始。晶粒成長過程中,小的晶粒會與大的晶粒合併,減少材料內部晶界的數目。晶粒成長的程度會嚴重影響到材料的機械性質。

設置和設備[编辑]

傳統上,退火過程會在大型的退火爐中處理,退火爐內部空間相當寬敞。足夠讓高溫氣體在內部循環並可讓工件暴露在高溫氣體中。對於要進行高容量的退火過程,經常使用輸送式燃氣燃燒爐。而對於大型工件或高數量零件適用台車式爐,以利零件輸送進出。一旦退火過程已經順利完成,有時工件會從爐中取出,來控制零件的冷卻過程。然而有時並不將材料和合金零件從爐中取出,使工件仍留在爐中,控制其冷卻的過程。通常,當工件從爐中取出後會用淬火急速冷卻,一些淬火典型的介質包含空氣,水,油。

特別的退火程序[编辑]

正常化[编辑]

正常化(Normalizing),是一種退火程序,藉著加熱來細化晶粒,釋放應力。

這過程通常受限用於硬化鋼,在受過塑性變型的鋼,其晶粒呈現不規則的形狀,且晶粒相對大小不一,正常化即是為了產生細小、並均勻化的晶粒,來改善它的延展性和韌性。正常化是藉由把鋼加熱至上臨界溫度之上,即沃斯田鐵化溫度之上,之後浸入此溫度一小段時間,讓它在空氣中冷卻。在足夠的時間之後,使鐵碳合金完全沃斯田鐵化(austenitizing)[5]。透過正常化,可進一步進行其他熱處理程序。

製程退火[编辑]

製程退火(Process annealing)或稱「中間退火」(intermediate annealing),或「臨界點下退火」(subcritical annealing),是一種恢復工件部分延展性的熱處理周期,工件可以進一步處理而不至於斷裂。

在工件進行塑造、精製物件成形的製程時,如鍛造輥軋(rolling)、抽製(drawing)、擠製(extrusion)、旋壓(spinning)、鍛頭(Heading),延展性相當重要。將材料加熱至沃斯田鐵化下的溫度,並維持長時間,足夠釋放金屬的應力[5]。最後讓工件緩慢冷卻至室溫,之後便可再進行額外的冷加工。製程退火的溫度範圍在260 °C 到 760 °C之間,主要視合金的成分。

在製程退火中,若想要特定的細晶顯微結構,可在晶粒成長之前,將熱處理中止。

完全退火[编辑]

完全退火溫度範圍

完全退火(full anneal),可以獲得接近平衡狀態組織的退火程序,形成完全全新的均勻排列結構,且有良好的動力學性值。適用於低碳或中碳鋼上。

要執行完全退火,需將合金加熱到退火點,約在奧氏體化溫度之上15 ℃到40 ℃左右[5],並有足夠的時間讓材料充分奧氏體化,形成奧氏體或奧氏體-滲碳體(austenite-cementite)的晶粒結構。之後讓材料緩慢冷卻,因此可達到顯微結構的平衡狀態。在某些情況下,意味著材料可在空氣中冷卻。然而,在其他情況下允許材料爐冷(furnace cool)。完全退火的過程細節決於內部金屬和精密合金的種類。完全退火後,產生具有良好延展性和非常好的拉伸比。完全退火程序相當耗時,但具有小晶粒和均勻的顯微晶粒結構[5]

半導體的退火[编辑]

半導體工業中,晶圓需要進行退火,因半導體摻入雜質如等時會產生大量空位,使原子排列混亂,導致半導體材料性質劇變,因此需要退火來恢復晶體的結構和消除缺陷,也有利把間隙式位置的雜質原子通過退火而讓它們進入置換式位置。

參考[编辑]

  1. ^
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Robert E.Reed-Hill、Reza Abbaschian. physical metallurgy principles, 3/e, .
  3. ^ Van Vlack, L.H. Elements of Materials Science and Engineering, Addison-Wesley, 1985, p 134
  4. ^ 4.0 4.1 Verhoeven, J.D. Fundamentals of Physical Metallurgy, Wiley, New York, 1975, p. 326
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 5.3 William D.Callister、JR. Materials Science and Engineering of Introduction, 4/e, .

外部連結[编辑]