退火（annealing）是將工件加熱到適當溫度，保溫一段時間后進行緩慢冷卻的熱處理工藝，其目的是使金屬內部組織達到或接近平衡狀態。退火技術應用于鑄、鍛、焊件預處理，旨在軟化材料便于加工，消除內應力防變形開裂，細化晶粒，改善組織及合金元素分布，提升工藝性能，為最終熱處理做準備。
退火工藝的發明可被視為人類金屬熱處理的起點。退火技藝最初是經驗性的，早期的銅及其合金需經過退火才適宜進行大形變加工，因為它們易發生加工硬化。退火工藝使銅合金再結晶軟化，為后續加工提供便利。隨著金相學、熱力學等相關學科的發展，熱處理由技藝轉變為科學，取得了巨大進步。
鋼的退火種類豐富，依據加熱溫度可劃分為兩大類別。高于臨界點的第一類退火涵蓋完全退火、不完全退火、等溫退火、球化退火和擴散退火等多種方式，過程中晶體結構轉變，多獲得平衡態組織。而低于臨界點的第二類退火則以去應力退火和再結晶退火為主，其晶體結構保持穩定，所得組織未必為平衡態。在合金及半導體熱處理中，退火工藝對于穩定組織結構、消除內應力也有著重要應用。
歷史沿革
退火工藝的發明應該說是人類金屬熱處理的開端。研究表明早期的銅及其合金不經過退火是不適宜進行大形變量加工的。銅及其合金容易發生加工硬化，中間退火產生再結晶使銅合金軟化，以便進行進一步的加工，這一技術以后廣泛應用于制造兵器和生活器具。南土庫曼新文化遺址出土的純銅刀的加工采用了退火，其年代可追溯至公元4000年以前。
中國采用鍛造和退火的工藝對青銅進行加工處理可能在公元前3500年以前已經出現。河南殷墟出土的殷代金箔，經金相分析可知，是經過再結晶退火處理的，其目的是消除金箔冷鍛硬化。公元前六至七世紀的中國生鐵生產技術的發明是古代工匠在鋼鐵技術發展史上所做出的重要貢獻，這使中國一舉進入大規模制鐵的先進國家。
然而，鑄鐵的大規模應用和推廣在很大程度上依賴于中國純熟的退火技藝。中國古代工匠通過控制加熱、冷卻和氣氛等條件，發展了適應于生鐵、熟鐵與鋼退火處理的系列處理工藝，總體可將其劃分為鑄鐵的退火和鋼的退火。除此之外，他們還發展了制備鑄鐵脫碳鋼、黑心和白心可鍛鑄鐵的脫碳退火處理方法。明代宋應星著《天工開物》有銼刀翻新工藝中有對退火的記載。書中還記載了制針工藝中工序間消除內應力的退火。
以退火為代表的熱處理技術促進了當時社會的發展，先人知其然，卻不知所以然。直至19世紀60年代，隨著鐵碳相圖及等溫轉變圖的建立，熱處理才由技藝變成科學。此后，X射線衍射及各種電子顯微技術的發展為熱處理研究提供了強有力的技術支撐，加之相變理論、熱力學等相關學科的發展，以及新材料、新技術的應用，熱處理在理論和應用方面取得了巨大進步。
目的
退火是將工件加熱到適當溫度，保溫一段時間后進行緩慢冷卻的熱處理工藝，其目的是使金屬內部組織達到或接近平衡狀態，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進一步淬火作組織準備。該工藝主要應用于鑄件、鍛件、焊接毛坯或半成品零件，作為預備熱處理的關鍵步驟。
退火能軟化鋼材以便利切削加工，提升鋼材性能使其更易于冷變形加工；還能細化晶粒、改善組織結構，優化合金元素的分布，并提升熱處理工藝性能，從而為最終熱處理奠定良好的組織基礎；消除內應力和加工硬化，以防變形和開裂。
技術原理
退火通過固體材料內部的原子擴散發生，使材料向其平衡狀態發展。熱量增加擴散速率，提供了打破鍵所需的能量。原子的移動會重新分布和消除金屬中的位錯，從而增加延展性。
退火過程也減少了變形金屬中的起始過程的約西亞·吉布斯自由能。在實際應用和行業中，這種減少吉布斯自由能的過程稱為應力緩解。內部應力的釋放是一個熱力學上自發的過程；然而，在室溫下，這是一個非常緩慢的過程。退火發生在高溫下，有助于加速這個過程。
促使冷加工金屬回復到無應力狀態的反應有許多途徑，主要涉及金屬體內格隙梯度的消除。晶格空位的生成受阿倫尼烏斯方程的控制，晶格空位的遷移/擴散受費克擴散定律的控制。
隨著材料溫度升高，退火過程的三個階段分別是：恢復、再結晶和晶粒長大。第一個階段是恢復，通過去除主要是位錯和引起內部應力的線性缺陷軟化金屬。恢復發生在所有退火過程的較低溫度階段，是在出現新的無應力晶粒之前。晶粒尺寸和形狀不會改變。第二個階段是再結晶，新的無應力晶粒成核并生長，以取代那些被內部應力變形的晶粒。如果讓再結晶完成后繼續退火，就會發生晶粒長大（第三階段）。晶粒長大后，微觀結構開始變粗，可能導致金屬喪失原有很大一部分強度。然而這可以通過淬火來恢復。
以鋼的退火舉例，由Fe-Fe3C相圖可知，鋼在加熱至稍高于A，溫度時將發生P→A的轉變。但在實際熱處理生產中，加熱和冷卻速度不可能很慢，故實際發生組織轉變溫度總要偏離平衡臨界點。
加熱和冷卻速度越大，偏離程度也越大。一般將實際加熱時的臨界點加標符號“c”表示，如Ac1、Ac3、Accm；將實際冷卻時的臨界點加標符號“r”表示，如Ar1、Ar3、Arcm。應該指出，多數鋼件的熱處理都要加熱到臨界點以上，以獲得細小而均勻的奧氏體組織。
工藝方法
根據加熱溫度的不同，主要可分為兩大類。第一類退火，其加熱溫度高于臨界點，包括完全退火、不完全退火、等溫退火、球化退火和擴散退火（均勻化退火）等。在這類退火過程中，晶體結構會發生變化，所獲得的組織多數為平衡態。而第二類退火，加熱溫度則位于臨界點以下，主要包括去應力退火和再結晶退火等。這類退火過程中晶體結構不發生改變，因此所獲得的組織并不一定是平衡態。
按照GB/T 16923—2008《鋼件的正火與退火》，鋼的退火還有光亮退火和穩定化退火，分別用于碳鋼和低合金鋼件表面的無氧化處理，防止耐蝕鋼耐晶間腐蝕性能的降低。
第一類退火
完全退火
完全退火是應用最為廣泛的退火方法，用于將鋼加熱至特定溫度范圍（亞共析鋼為Ac3以上30~50℃），保溫一段時間后，再緩慢冷卻至室溫，以獲得鐵素體和珠光體組織。然而，對于過共析鋼，因其加熱到Acm以上退火后，二次滲碳體呈網狀析出，導致脆化，使鋼的機械性能顯著降低，并易在淬火時開裂，所以并不適合采用完全退火。加熱溫度為 Ac3 以上30～50℃，保溫一段時間，使鋼的原來組織全部轉變為單一均勻的奧氏體然后在緩慢冷卻中，使奧氏體轉變為鐵素體和珠光體以達到細化奧氏體晶粒、消除魏氏組織、細化組織、降低硬度和消除內應力的目的。此工藝主要用于亞共析鋼的鍛件、軋件和鑄件，特別適用于碳含量在0.3%~0.6%的中碳鋼及中碳合金鋼。
不完全退火
不完全退火是將鐵碳合金加熱到Ac1～Ac3（Accm）之間的溫度，保溫后緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。“不完全”是指兩相區加熱時只有部分組織發生了相變重結晶，達不到完全奧氏體化，加熱時珠光體會轉變為奧氏體，大部分過剩相（鐵素體或滲碳體）保留下來。目的：細化晶粒，降低硬度，去除應力，改善可加工性。
等溫退火
等溫退火其步驟包括將鋼加熱至Ac1（亞共析鋼）或Ac3（過共析鋼）以上20~30℃，保溫一段時間后，迅速冷卻至Ar1以下的某一溫度并再次保溫，隨后出爐空冷，從而得到普通珠光體組織。根據鋼的TTT曲線，等溫退火能有效減少退火時間，并使組織更加均勻，因為轉變過程發生在恒定的溫度下。此工藝尤其適用于過冷奧氏體穩定性較高的合金鋼。
球化退火
球化退火是一種不完全退火工藝，旨在將鋼中的碳化物轉變為球狀或粒狀珠光體組織。這種工藝不僅能降低高碳鋼或高碳合金鋼的硬度，提高切削加工性能，還能為最終熱處理提供均勻的球化組織。球狀珠光體因其連續且塑性好的鐵素體基體而具有出色的塑性和韌性，對低、中碳鋼的冷成形以及工具鋼、滾動軸承鋼在最終熱處理前的機加工尤為重要。球化退火常用于過共析鋼及高碳合金鋼，其過程可能包括加熱、保溫和緩慢冷卻等步驟。常用的球化退火工藝有三種，每種都有其特點，如一般的球化退火、等溫球化退火和周期球化退火，后者雖工藝復雜但適用于小件并能縮短退火時間。
均勻化退火
也稱為擴散退火，是以減少工件化學成分和組織的不均勻程度為主要目的，將其加熱到高溫并長時間保溫。然后緩慢冷卻的退火工藝。鋼錠、鑄件或鍛件的化學成分和組織的不均勻，一般要加熱到略低于固相線溫度（鋼的熔點以下100~200℃），長時間保溫使其化學成分和組織均勻化。通常加熱溫度為Ac3或Accm以上150~300℃，具體加熱溫度根據鋼錠的偏析程度和鋼的成分而定，碳鋼一般為1100～1200℃，合金鋼多為1200～1300°C，鋼合金和鋁合金的加熱溫度則分別選擇在700~950℃和400~500℃。退火后晶粒粗大，可用完全退火或正火細化晶粒、消除過熱缺陷。
第二類退火
再結晶退火
再結晶退火則是一種通過加熱冷變形金屬至再結晶溫度以上并保溫一段時間，使變形晶粒轉變為等軸且無畸變的晶粒，從而消除加工硬化的熱處理工藝。對于鋼而言，再結晶退火的溫度通常設定在650℃或稍高，并保溫約0.5~1小時。這種工藝對于改善金屬材料的性能和延長使用壽命具有重要意義。
去應力退火
去應力退火，也被稱為低溫退火，主要用于消除冷、熱加工后因快速冷卻而產生的殘余內應力，以避免零件在使用過程中發生變形或開裂。其加熱溫度因材料和技術要求的不同而有所差異。對于碳鋼和Q355，去應力退火過程通常涉及以100~150℃/h的速度隨爐緩慢加熱至500~650℃，保溫1~2小時，然后以50~100℃/h的速度隨爐緩慢冷卻至200~300℃后出爐空冷。高合金鋼的加熱溫度則相對較高，通常在600~750℃之間。
主要特點
工藝對比
與退火相比，正火是將鋼加熱到Ac3或Accm以上30~50℃，保溫一段時間，在空氣中冷卻的熱處理工藝。它與退火的主要區別是正火的冷卻速度稍快一些，故正火組織比較細，其硬度、強度也稍高些。正火的目的主要是細化晶粒，調整硬度，消除網狀滲碳體，為后續加工、球化退火及淬火等工藝做好組織準備。退火和正火都是在工業上應用非常廣泛的熱處理工藝，它們主要被用于鋼的預先熱處理，經常被安排在鑄造或鍛造加工之后和粗切削加工之前，用來消除前一道工序給工件帶來的某些組織缺陷和內應力，并為后續的精加工等做好組織和性能上的準備。
工藝選擇
退火和正火工藝很相似，實際應用時，可以從以下三方面考慮選擇：
一般認為硬度在 170~230HBS 范圍內的鋼材，其切削加工性能較好。硬度太高，不但難于加工，且刀具容易磨損：硬度過低，切削加工中易 “粘刀”，使刃具發熱而磨損，且加工后零件表面粗糙度也高。所以低碳鋼和某些低碳合金鋼常采用正火處理，適當提高硬度，改善切削加工性。
對于亞共析鋼來說，正火處理比退火具有較好的機械性能。如果零件的性能要求不高，可用正火作為最終熱處理。但當零件形狀復雜，正火的冷卻速度較快，有形成裂紋危險時，則用退火。
正火比退火的生產周期短，成本低，操作方便，故在可能的條件下，應優先采用正火。
優缺點
優點
改善材料性能：通過退火處理，可以消除材料內部的應力和晶格畸變，提高材料的韌性、延展性和導電性等性能。
降低硬度：退火可以使材料的硬度降低，變得更加易于加工和成型。
改善晶粒結構：退火有助于晶粒的長大和均勻化，從而提高材料的強度和韌性。
消除內應力：退火過程中，材料內部的應力可以得到釋放，減少了變形和開裂的風險。
缺點
成本較高：退火需要一定的時間和能量投入，可能增加生產成本。
可能導致晶粒長大：過度的退火可能會導致晶粒過度長大，影響材料的機械性能。
尺寸變化：在熱處理過程中可能發生固態相變，從而導致尺寸變化，需要在設計和加工中予以考慮。
工藝參數
退火如其他熱處理工藝一樣，分為加熱、保溫、冷卻三個階段，包含五個要素，即加熱介質、加熱溫度、加熱速度、保溫時間、冷卻速度。
高溫下，加熱介質可能與工件表面發生化學反應二改變其表層成分。例如，氧化性介質可使工件表面氧化，可能會使鋼鐵材料發生脫碳現象。
加熱溫度和保溫時間，決定了加熱后金屬內部的組織結構及構成相的成分。應根據工件的鋼號、熱處理目的等因素確定。
加熱速度會影響工件的熱應力、組織應力和相變過程。根據工件的成分、尺寸和形狀及堆放形式、裝爐量等因素來確定，對高碳高合金鋼及形狀復雜的或截面大的工件一般應進行預熱，或采用低溫入爐后控制升溫速度的加熱方式。一般來說，對于強度高、塑性差、含碳量較高的合金銅，以及形狀復雜或大型工件（特別是鑄件），加熱速度通常不超過200℃/小時。大型合金鋼的鑄、鍛件（60毫米以上）應采取低溫入爐，分段升溫的方法，其加熱速度通常不超過100℃/小時。中、小件可在工作溫度裝爐加熱。
加熱時間應根據工件的化學成分、形狀和尺寸、加熱溫度、加熱介質、加熱方式、裝爐量和堆放形式以及處理目的等因素確定，應保證工件在規定的加熱溫度范圍內保持足夠的時間。
冷卻是重要環節，對所有在冷卻過程中發生相變的熱處理，通過合理控制冷卻速度就能獲得所需組織，達到性能要求。根據所需的組織和力學性能選擇適當的冷卻工藝。
標準規范
應用領域
金屬加工
退火在金屬加工中有廣泛應用：如鋼鐵及其零部件加工中，退火工藝可以消除加工硬化及各種加工過程中所引起的內應力；在高級優質合金鋼的大型鑄鋼件制作中，退火工藝可以用改善組織結構和化學成分的不均勻性；退火工藝可以改善合金的斷裂韌度、穩定組織，并達到理想的強度和塑性配合，使鈦合金能在高溫環境下工作。
玻璃加工
玻璃加工中，用退火工藝將玻璃帶中產生的熱應力控制在允許的范圍內，防止玻璃成型后由于熱應力碎裂。
半導體
退火在集成電路、半導體元器件制備中發揮很大作用，產品廣泛應用于邏輯芯片、存儲芯片、CIS傳感器、LED照明、5G通訊、電動汽車和消費類電子充電器等。在圓晶工藝中，退火可用來恢復晶體的結構和消除缺陷，從而降低漏電流，提高晶體管性能。氮化鎵異質結薄膜制備中，合適的退火工藝可以提升薄膜的結晶質量，從而降低歐姆接觸電阻。
應用實例
低碳結構鋼焊接結構件消除殘余應力退火
焊接件以低于300℃進爐。
加熱溫度：600-650℃，對薄壁、細長、大而薄的易變形焊接件，退火溫度應取下限。
加熱速度：100-150℃/小時。
保溫時間：以焊接結構件最厚(或直徑最大)的斷面計算，厚度δ小于50mm時，每25mm為1小時；厚度大于50mm時，按（δ+150）/100計算。一般保溫時間2-4小時。
冷卻速度：隨爐冷至300℃以下出爐空冷。
灰鑄鐵類退火
目的：消除內應力和穩定尺寸，消除鑄件的白口組織和提高鑄件表面的硬度及耐磨性。
普通灰鑄鐵去應力退火溫度以550℃為宜，低合金灰鑄鐵為600℃,高合金灰鑄鐵是可提高到650℃。
加熱速度：一般選用60-120℃/小時。
保溫時間：由加熱溫度、鑄件的大小和結構復雜程度以及對消除應力程度的要求決定。
冷卻速度：一般控制在20-40℃/h,冷卻到200-150℃以下,可出爐空冷。
鈦合金的退火
β退火
含β相穩定化元素較高的TC4，其β相相當穩定，容易被過冷。過冷的β相，其等溫轉變動力學曲線與鋼的過冷奧氏體等溫轉變圖相似。為了縮短重結晶退火的生產周期并獲得更細、更均勻的組織，亦可采用等溫退火。
雙重退火和三重退火
雙重退火和三重退火是鈦合金熱處理過程中的重要工藝，其目的在于改善合金的斷裂韌度、穩定組織，并達到理想的強度和塑性配合。這兩種退火方式尤其適用于需要在高溫環境下工作的鈦合金。
雙重退火主要涉及兩次加熱和空冷過程。首先，合金被加熱至接近再結晶終了溫度，使組織發生再結晶，并生成適量的初生α相。隨后，合金在空氣中冷卻。緊接著，合金再次被加熱至低于再結晶溫度但高于β相變點300~500℃的某一溫度，并保溫一段時間。這一過程使得在第一次退火空冷過程中形成的亞穩β相（對于較薄的工件，甚至可能形成馬氏體相）得以充分分解，從而產生一定程度的時效強化效果。這樣的處理使得合金具有與普通退火相近的強度、更高的斷裂韌度以及在高溫下更加穩定的組織。
三重退火的過程與雙重退火類似，但第二次退火被分為兩個階段進行。首次退火的目的和工藝與雙重退火的第一階段相同。接下來的第二次退火溫度略低于再結晶開始溫度，保溫時間較短，這一步主要使成形工序中的熱校形易于進行，并使組織進一步穩定。最后的第三次退火與雙重退火的第二次退火相似，但保溫時間可能稍短，其主要目的仍然是進一步穩定組織和實現時效強化。
真空退火
真空退火是一種專門用于降低鈦合金中氫含量的熱處理工藝。由于鈦合金極易吸收氫并導致氫脆現象，當氫含量超過規定值時，必須采取有效措施進行除氫處理。真空退火通過在600~890℃的溫度范圍內進行保溫1~6小時，同時維持0.013Pa的高真空度，使得合金中的TH化合物發生分解并從合金中逸出。
半導體的退火
晶圓退火
在半導體工業中，硅晶晶圓需要進行退火。半導體在離子注入后，硅晶體的內部其實已經非常雜亂，大量的雜質并沒有按照要求站到合適的位置上，而是停在了硅原子間的空隙中，這不但沒有達到實現摻雜的目的，反而擠亂了硅晶體原有整齊的結構，破壞了晶體穩定的結構造成了“注入損傷”。為了消除注入損傷，需要在大約 1000℃ 的溫度下對晶圓進行退火處理。高溫所帶來的動能可以使位置錯亂的雜質原子獲得很高的動能，并以較高的遷移率從而在晶體中移動，從間隙中回到正確的位置，讓硅晶體的隊伍結構再度整齊排列起來。
激光退火
在AlGaN/GaN HEMT器件研究中，使用激光退火，可使AlGaN/GaN接觸良好，減小接觸電阻，從而提高器件性能。
參考資料 >
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