热力学上的退火

金属在冷加工时，被施加的能量大部分会以热能的方式消耗掉，然而有少部分以应变能的形式残留于金属中，并造成金属现大量的差排。另外，冷加工后，金属塑性变形所产生的点缺陷同样也是产生应变能的来源。

在热力学中，塑性变形的金属和退火的金属，两者的吉布斯能差大约等于储存的应变能。虽然塑性变形会增加金属的熵，但增加的效应远小于应变所增加的内能。因此

可简成

因为塑性变形的金属自由能较大，故它会自发（Spontaneous）回复平衡状态。然而由于金属内部结构复杂，其不可能依靠简单的反应回复成退火的状态，它需要许多不同的反应来回复。释放应变能的过程，称为应力释放（stress relief），这段过程为热力学上的自发程序，但在室温中反应速率相当缓慢，因此退火处理中的的加热措施，就是利用高温来提高这些反应的速率，从而加速金属释放储存能。

受过冷加工的金属，它可以透过许多反应途径释放应变能，其中大部分是透过消除金属内的晶格空位浓度梯度来实现。晶格空位的产生遵守阿瑞尼士方程式，而空位的移动和扩散须遵守菲克扩散定律（Fick"s law of diffusion）。

透过消除晶体结构的空位和差排，可让原子置于合适的晶格位置，新生成的晶粒改善了金属的机械性质，所以退火不仅可以消除内部应力，还可以改善机械性质，如硬度、延展性等。

退火步骤

退火过程中间会有三个阶段。

第一阶段是回复（recovery）。在回复的过程中，晶体内部缺陷（例如晶格空位）会移动回复到正常晶格位置，同时内部应力场也会跟着消失。在回复阶段，先前的冷加工过的金属其电、热传导等性质将回复成原来状态。

第二阶段是再结晶（recrystallization）。再结晶过程中，新的晶粒成型并取代原本因内在应力而变形的晶粒。

再结晶完成时，晶粒成长（grain growth）就会开始。晶粒成长过程中，小的晶粒会与大的晶粒合并，减少材料内部晶界的数目。晶粒成长的程度会严重影响到材料的机械性质。

设置和设备

传统上，退火过程会在大型的退火炉中处理，退火炉内部空间相当宽敞，足够让高温气体在内部循环并可让工件暴露在高温气体中。对于要进行高容量的退火过程，经常使用输送式燃气燃烧炉。而对于大型工件或高数量零件则适用台车式炉，以利零件输送进出。当退火过程已经顺利完成，有时工件会从炉中取出，来控制零件的冷却过程，然而有时并不将材料和合金零件从炉中取出，使工件仍留在炉中，同时控制其冷却过程。通常，当工件从炉中取出后会用淬火急速冷却处理，典型的淬火介质为空气，水，油等。

保护气体

退火中的高温会造成金属表面的氧化及剥落，若要防止剥落，可以在保护气体下进行退火，例如吸热型气体（一氧化碳、氢气及氮气的混合物），退火也可以在由氮气及氢气混合而成的合成气体中进行。

μ合金的磁性质会在氢气环境下进行的退火中产生。

特别的退火程序

正常化

正常化（Normalizing），是一种退火程序，借着加热来细化晶粒，释放应力。

这过程通常受限用于硬化钢，受过塑性变型的钢，其晶粒呈现不规则的形状，且晶粒相对大小不一，正常化即是为了产生细小、并均匀化的晶粒，从而改善它的延展性和韧性。正常化是借由把钢加热至上临界温度之上，即奥氏体化温度之上，之后保持此温度一小段时间，让它在空气中冷却。在足够的时间之后，使铁碳合金完全奥氏体化（austenitizing）。正常化之后，可进一步进行其他热处理程序。

制程退火

制程退火（Process annealing）或称“中间退火”（intermediate annealing），或“临界点下退火”（subcritical annealing），是一种恢复工件部分延展性的热处理手段，工件可以进一步被处理而不至于断裂。

在工件进行塑造、精制物件成形的制程时，如锻造（forging）、轧制（rolling）、抽制（drawing）、挤制（extrusion）、旋压（spinning）、锻头（heading），延展性相当重要。将材料加热至奥氏体化下的温度，并维持长时间，充分地释放金属的应力。最后让工件缓慢冷却至室温，之后便可再进行额外的冷加工。制程退火的温度范围在260℃到760℃之间，主要视合金的成分而定。

在制程退火中，若想要特定的细晶显微结构，可在晶粒成长之前，将热处理中止。

完全退火

完全退火温度范围

完全退火（full anneal），可以获得接近平衡状态组织的退火程序，形成完全全新的均匀排列结构，且有良好的动力学性值，适用于低碳或中碳钢。

要执行完全退火，需将合金加热到退火点，约在奥氏体化温度之上15℃到40℃左右，并有足够的时间让材料充分奥氏体化，形成奥氏体或奥氏体-渗碳体（austenite-cementite）的晶粒结构，之后让材料缓慢冷却，从而可达到显微结构的平衡状态。材料可在空气中冷却或者使用材料炉冷（furnace cool），视情况而定。

完全退火的过程细节决于内部金属和精密合金的种类。完全退火后，金属会具有良好的延展性和非常好的拉伸比。完全退火程序相当耗时，优点是可获得具有小晶粒和均匀的显微晶粒结构。

半导体的退火

在半导体工业中，硅晶圆需要进行退火。因半导体材料中掺杂了杂质如硼、磷或砷等，会产生大量空位，使原子排列混乱，导致半导体材料性质剧变，因此需要退火来恢复晶体的结构和消除缺陷，也有利于间隙式位置的杂质原子进入置换式位置。

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