退火

退火（Annealing），在冶金學或材料工程，是一種改變材料微結構且進而改變如硬度和強度等機械性質的熱處理。

過程為將金屬加溫到高於再結晶溫度的某一溫度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該金屬因冷加工而降低的性質，增加柔軟性、延展性和韌性，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來釋放內部殘留應力，透過這些原子排列重組的過程來消除金屬材料中的差排，這項改變也讓金屬中的差排更易移動，增加其延展性。

在銅、鋼鐵、銀、黃銅的案例中，退火需要歷經很高的溫度，通常都要將金屬加熱到熾熱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、銀和黃銅它們可以在空氣中緩慢冷卻，也可以快速在水中淬火。退火過後的金屬可以再進一步加工，如沖壓、塑造、成形等。

## 熱力學上的退火

金屬在冷加工時，被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，並造成金屬中出現大量的差排。另外，冷加工後，金屬塑性變形所產生的點缺陷同樣也是產生應變能的來源。

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

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

可簡成

$\Delta G \approx \Delta H$。

因為塑性變形的金屬自由能較大，故它會自發（Spontaneous）回復平衡狀態。然而由於金屬內部結構複雜，其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來回復。釋放應變能的過程，稱為應力釋放（stress relief），這段過程為熱力學上的自發程序，但在室溫中反應速率相當緩慢，因此退火處理中的加熱措施，就是利用高溫來提高這些反應的速率，從而加速金屬釋放儲存能。

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來實現。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）。

透過消除晶體結構的空位和差排，可讓原子置於合適的晶格位置，新生成的晶粒改善了金屬的機械性質，所以退火不僅可以消除內部應力，還可以改善機械性質，如硬度、延展性等。

## 退火步驟

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（例如晶格空位）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。
- 第二階段是再結晶（recrystallization）。再結晶過程中，新的晶粒成型並取代原本因內在應力而變形的晶粒。
- 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

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則適用台車式爐，以利零件輸送進出。當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，同時控制其冷卻過程。通常，當工件從爐中取出後會用淬火急速冷卻處理，典型的淬火介質為空氣，水，油等。

## 保護氣體

退火中的高溫會造成金屬表面的氧化及剝落，若要防止剝落，可以在保護氣體下進行退火，例如吸熱型氣體（一氧化碳、氫氣及氮氣的混合物），退火也可以在由氮氣及氫氣混合而成的合成氣體中進行。

μ合金的磁性質會在氫氣環境下進行的退火中產生。

## 特別的退火程序

### 正常化

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，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，從而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，之後保持此溫度一小段時間，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）。正常化之後，可進一步進行其他熱處理程序。

### 完全退火

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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質，適用於亞共析成分的低碳或中碳鋼。

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（AC3）之上15℃到40℃左右，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，從而可達到顯微結構的平衡狀態。材料可在空氣中冷卻或者使用材料爐冷（furnace cool），視情況而定。

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，金屬會具有良好的延展性和非常好的拉伸比。完全退火程序相當耗時，優點是可獲得具有小晶粒和均勻的顯微晶粒結構。

完全退火工藝的全過程需要很長時間，特別是對於一些合金鋼，往往需要數十小時，甚至數天的時間。如果應用等溫退火（爐冷4小時後打開爐門）就可以大大地節約時間。

### 擴散退火

擴散退火也稱均勻化退火，為消除鑄錠或鑄件凝固過程中產生的枝晶偏析，達到化學成分的均勻化。特點是加熱溫度高（Ac3或Acm以上150-300℃），保溫時間長（10h以上），產生的晶粒很粗大，需要一次正常的完全退火或正火處理。

### 球化退火

球化退火主要用於過共析碳鋼及合金工具鋼，目的是降低硬度，改善切削加工性能，同時獲得球化組織，為淬火做好組織準備。具體工藝是：過共析鋼加熱到Ac1以上30-50℃，保溫一段時間，以不大於50℃/h的冷卻速度隨爐冷卻，最終獲得的組織為球狀珠光體（球狀滲碳體分布在鐵素體基體上）。在球化退火前，若鋼的原始組織中有明顯的網狀滲碳體，應先進性正火處理，去除網狀組織。

### 製程退火

製程退火（Process annealing）或稱中間退火（intermediate annealing）、再結晶退火或「臨界點下退火」（subcritical annealing），是將冷變形後的金屬加熱到再結晶溫度以上（650-700℃）保持適當時間，使變形晶粒重新轉變為均勻的等軸晶粒，多用於需要進一步冷變形鋼件的中間退火，目的是恢復工件部分延展性的熱處理手段，消除加工硬化，讓工件可以進一步被處理而不至於斷裂。

在工件進行塑造、精製物件成形的製程時，如鍛造（forging）、軋制（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，充分地釋放金屬的應力。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℃到760℃之間，主要視合金的成分而定。

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。

### 去應力退火

去應力退火又稱低溫退火。將鋼件隨爐緩慢加熱（100-150℃/h）至500-650℃（低於Ac1），保溫一段時間後，隨爐緩慢冷卻（50-100℃/h）至200-300℃一下出爐。消除因變形加工及鑄造、焊接過程中引起的殘餘內應力，提高工件尺寸穩定性，防止變形和開裂。

## 半導體的退火

在半導體工業中，矽晶圓需要進行退火。因半導體材料中摻雜了雜質如硼、磷或砷等，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，也有利於間隙式位置的雜質原子進入置換式位置。