热处理是在不改变零件形状的前提下，通过控制加热温度、保温时间、冷却速度和炉内气氛，改变金属内部组织，从而获得所需硬度、强度、韧性或耐磨性的工艺。最基础的是退火、正火、淬火、回火“四把火”；需要表面耐磨而心部保持韧性时，再叠加渗碳、渗氮等化学热处理。
- 热处理三要素：温度、时间、冷却速度；可控气氛热处理再加第四要素“气氛”
- 四把火：退火软化、正火细化、淬火硬化、回火增韧
- 化学热处理通过向表面渗入碳、氮等元素改变表层成分，代表工艺是渗碳和渗氮
- 质量稳定性取决于过程控制能力，而不只是设备本身
热处理的本质：用温度和时间“改写”组织
钢在加热到一定温度后会发生相变（例如铁素体+珠光体转变为奥氏体），冷却时再按冷却速度转变为不同的组织：慢冷得到珠光体，快冷得到马氏体。组织不同，性能就不同。热处理就是有意识地利用这一规律。
决定热处理结果的三个基本参数是：
- 加热温度：决定是否完成相变、奥氏体晶粒大小和碳化物溶解程度；
- 保温时间：决定温度是否均匀透入、成分是否扩散充分；
- 冷却速度：决定最终得到哪种组织。
对于在炉内气体环境中加热的工艺，还有第四个参数——炉内气氛。气氛不受控时，钢件表面会氧化、脱碳或增碳，直接影响表面硬度和疲劳寿命。这也是可控气氛热处理和过程控制系统存在的原因。
四把火：退火、正火、淬火、回火
| 工艺 | 典型做法 | 主要目的 | 常见场景 |
|---|---|---|---|
| 退火 | 加热后随炉缓冷 | 降低硬度、消除应力、改善切削与冷成形性能 | 冷镦钢丝球化退火、冲压件去应力 |
| 正火 | 加热后空冷 | 细化晶粒、均匀组织 | 锻件预处理 |
| 淬火 | 加热奥氏体化后快速冷却（油、水、聚合物或气体） | 获得马氏体，提高硬度和强度 | 齿轮、轴、轴承 |
| 回火 | 淬火后重新加热到较低温度 | 降低脆性、稳定尺寸、调整硬度与韧性的平衡 | 几乎所有淬火件 |
淬火和高温回火组合通常称为调质，用于需要良好综合力学性能的结构件。
表面热处理：表硬心韧
许多零件需要“表面耐磨、心部抗冲击”，例如变速箱齿轮。仅靠整体淬火很难同时满足，因此发展出两类表面强化方法：
- 表面淬火：只加热表层（感应加热、激光等），成分不变；
- 化学热处理：在可控气氛中向表面渗入元素，改变表层成分。最常见的是渗碳（提高表层含碳量后淬火）和渗氮（在较低温度下渗入氮，形成氮化物层，变形小）。
化学热处理对气氛控制的依赖最大：渗碳要控制碳势，渗氮要控制氮势（Kn）。这两类控制是本知识库后续栏目的核心。
为什么说“热处理质量是控制出来的”
热处理属于“特殊过程”——结果无法通过对成品的简单检验完全验证，硬化层深、组织缺陷往往需要破坏性检测。因此汽车行业的 CQI-9、航空航天的 AMS2750 等体系都要求对温度、气氛、时间进行连续监控和记录。可靠的发生器、传感器、控制系统和数据软件，是让热处理结果可重复、可追溯的基础。
常见问题
热处理会改变零件的形状和尺寸吗？
设计上不改变形状，但相变和热应力会带来一定的尺寸变化与变形。渗氮温度低、无相变，变形通常最小；渗碳淬火变形相对较大，需要通过装炉方式、淬火介质和工艺参数控制。
渗碳和渗氮应该怎么选？
渗碳适合需要较深硬化层、承受高接触应力的零件（如重载齿轮）；渗氮适合要求变形小、耐磨耐蚀、硬化层较浅的零件（如曲轴、模具、精密齿轮）。具体需结合材料、层深要求和成本评估。
什么样的热处理需要可控气氛？
凡是在高温下与空气接触会造成氧化脱碳、且对表面质量有要求的工艺，都适合使用保护气氛或可控气氛，包括光亮退火、淬火加热、渗碳、碳氮共渗和渗氮等。