机械工程材料——钢的热处理
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第三章 钢的热处理
热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组 织结构，获得所需要性能的一种工艺。
为简明表示热 处理的基本工 艺过程，通常 用温度—时间 坐标绘出热处 理工艺曲线
力学与工程科学学院
机械材料与表面技术
第三章 钢的热处理
热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。 在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。 在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。 至于模具、滚动轴承则要100%经过热处理。 总之，重要的零件都要经过适当的热处理才能使用。
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机械材料与表面技术
第三章 钢的热处理
热处理特点：热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等 的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状 热处理适用范围：只适用于固态下发生相变的材料，不发生固 态相变的材料不能用热处理强化
力学与工程科学学院
机械材料与表面技术
第三章 钢的热处理
根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工
艺分类如下：
退火
普通热处理
正火 淬火
回火
表面淬火—感应加热、火焰加热、
热处理
表面热处理
电接触加热等 化学热处理—渗碳、氮化、碳氮
共渗、渗其他元素等
控制气氛热处理
其他热处理
真空热处理 形变热处理
激光热处理
力学与工程科学学院
机械材料与表面技术
第三章 钢的热处理
力学与工程科学学院
机械材料与表面技术
第三章 钢的热处理
§3.1 钢在加热时的转变 §3.2 奥氏体转变图（钢在冷却时的转变） §3.3 钢的普通热处理（退火、正火、淬火、回火） §3.4 钢的表面热处理（表面淬火和化学热处理） §3.5 钢的特种热处理
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机械材料与表面技术
第三章 钢的热处理
第一节 钢在加热时的转变 加热是热处理的第一道工序。 在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化
钢的临界温度
铁碳相图中PSK、GS、ES线 分别用A1、A3、Acm表示。 由于实际加热或冷却时存在 过冷或过热现象，因此，将 钢加热时的实际转变温度分 别用Ac1 、 Ac3 、 Accm表 示 ， 冷却时的实际转变温度分别 用Ar1、Ar3、Arcm表示
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机械材料与表面技术
第三章 钢的热处理
一、奥氏体的形成 奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现共析钢为例说明：
第1步：奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形核。 第2步：奥氏体晶核长大：晶核通过碳原子的扩散向和Fe3C方向 长大。
第3步：残余Fe3C溶解：在成分、结构上比Fe3C更接近于奥氏体， 因而先于Fe3C消失，而残余Fe3C则随保温时间延长不断溶解直至 消失。
第4步：奥氏体均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高， 通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。
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第三章 钢的热处理
一、奥氏体的形成 奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现共析钢为例说明：
转变步骤
奥氏体 形核
奥氏体 核长大
残余渗碳 体溶解
奥氏体成 分均匀化
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第三章 钢的热处理
影响奥氏体形成速度的因素：奥氏体形成速度与加热温度、加 热速度、钢的成分以及原始组织等有关。
加热温度越高，奥氏体形成速度越快 加热速度越快，奥氏体形成速度越快 含碳量增加，利于奥氏体加速形成 钴、镍等↑ ； 合金元素显著影响奥氏体的形成速度 铬、钼、钒等↓；
硅、铝、锰等－。
组织（珠光体）越细，奥氏体形成速度越快
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第三章 钢的热处理
二、奥氏体晶粒大小 1. 奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时晶粒细小均
匀。随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步 长大，这也是一个自发的过程。 2. 在给定温度下奥氏体的晶粒度称实际晶粒度。 3. 加热时奥氏体晶粒的长大倾向称本质晶粒度。
粗大的奥氏体晶粒会导致钢的力学性能降低，特别是韧性下降， 甚至在淬火时形成裂纹。当加热时奥氏体晶粒大小超过规定尺 寸时就成为一种加热缺陷，称之为过热
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机械材料与表面技术
第三章 钢的热处理
起始晶粒度
奥氏体形成刚结束，奥氏体晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小
实际晶粒度
奥氏体在具体加热条件下所获得奥氏体晶粒的大小
本质晶粒度
本质粗晶粒钢（Mn，Si）
特定条件 下钢的奥氏体晶粒长大的倾向性 ，并不代表具体的晶粒大小
930±10℃，保温8h
本质细晶粒钢（Al）
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机械材料与表面技术
第三章 钢的热处理
影响奥氏体晶粒长大的因素：
温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒长大越明显 加热速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细。 晶界上存在未溶的碳化物时，会对晶粒长大起阻碍作用，
使奥氏体晶粒长大倾向减小 合金元素，也影响奥氏体晶粒长大，除锰、磷外几乎所有
合金元素都阻碍奥氏体晶粒长大
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第三章 钢的热处理
第二节 奥氏体转变图
1. 奥氏体是不是降温到临界温度以下就立即 发生转变呢？
2. 不同的冷却速度是否也得到同一种的组织 呢？
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第三章 钢的热处理
过冷奥氏体：在临界点以下存在的不稳定的且将要发生转变 的奥氏体，称为过冷奥氏体。
冷却方式：等等温温冷冷却却方方式式和连连续续冷冷却却方方式式。
转变产物组织性能均匀，研究领域应 用广
转变产物为粗细不匀甚至类型不同的 混合组织，实际生产中广泛采用
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第三章 钢的热处理
奥氏体等温转变图 TTT曲线：Time, Temperature, Transformation C曲线T ：形状似C
高温T转m 变：
A1 ~ 560℃
中温转变：
过冷A → 珠光体（P）
转变终了线
560℃ ~ MS 过冷A →贝氏体（B）
低温转变： 转变开始线
MS ~ Mf
过冷A →马氏体（M）
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第三章 钢的热处理
奥氏体等温转变图
以共析钢为例说明C曲线的建立过程： 取一批小试样并进行奥氏体化。 将试样分组淬入低于A1点的不同温度的恒温盐浴中，隔一定
时间取一试样淬入水中。 测定每个试样的转变量，确定各温度下转变量与转变时间的
关系。 将各温度下转变开始时间及终了时间标在温度—时间坐标中
，并分别连线。转变开始点的连线称转变开始线。转变终了 点的连线称转变终了线。
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第三章 钢的热处理
T/℃
800
A1
A
700 过
转变开始
A→P
P 5~25HRC
600
冷 A→S A A→T
转变结束 S T
25~35HRC 35~40HRC
500 过 A→上B 400 冷
上B
40~50HRC
300 A
A→下B 下B 50~60HRC
Ms
200
100 A→M M+A'
60~65HRC
力学与工程科学学院
0
Mf
-100 0
M
1 10 机1械02 材1料03 与10表4 面10技5 时术间/s
第三章 钢的热处理
A1-Ms 间及转变开始 线以左的区域为过冷 奥氏体区。
转变终了线以右及Mf 以下为转变产物区。
两线之间及Ms与Mf之 间为转变区。
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温 度
A1
A
过 A→P
P
冷
A
转变终了线
B
A→B
转变开始线
MS
A→M
Mf
M 时间
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第三章 钢的热处理
过冷奥氏体等温转变过程及产物 珠珠光光体体（转A变1～560℃）、贝氏体（560℃～MS）和马氏体（MS～Mf）
1. 过冷奥氏体向珠光体转变，是通过形核和长大的过程来完成的； 共析钢成分易在奥氏体晶界处形核 亚、过共析钢在先析相上形核
2. 珠光体转变是一个扩散型转变（Fe、C原子都进行扩散）； Fe原子的扩散，完成γ相（面心立方）向α相（体心立方）的转变 C原子的扩散， γ相→ α相过程中多余的C原子以Fe3C形式析出
3. 一般情况下，珠光体为片状铁素体和片状渗碳体相间分布的层状组织。
片间距：相邻两片渗碳体中 心之间的距离
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F
渗碳体
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第三章 钢的热处理
珠光体转变
随着转变温度的降低，片间距减小，强硬度提高，塑韧性也有改善
按照片层粗细可分为珠光体P，索氏体S和托氏体T，片间距P﹥S﹥T
珠光体 P 3800×
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索氏体 S 8000×
托氏体 T 8000×
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第三章 钢的热处理
过冷奥氏体等温转变过程及产物 贝珠光氏体体（转A1变～560℃）、贝氏体（560℃～MS）和马氏体（MS～Mf）
与前面珠光体不同，贝氏体是一种半扩散型相变，形成含碳量过饱和 的铁素体，渗碳体从铁素体中析出（C原子扩散，析出碳化物）。
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第三章 钢的热处理
贝氏体转变
上贝氏体：羽毛状，小片状Fe3C分布在F间，强度、韧性差。 下贝氏体：针片状，铁素体针叶内规则地分布着细片状碳化物，
强度、硬度、塑性、韧性均高于上贝氏体。
上贝氏体
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下贝氏体
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第三章 钢的热处理
过冷奥氏体等温转变过程及产物 马珠光氏体体（转A1～变560℃）、贝氏体（560℃～MS）和马氏体（MS～Mf）
马氏体转变是指钢从奥氏体状态快速冷却，来不及发生扩散分解而 产生的无扩散型的相变（C原子不扩散，保留在α相中；）。
特点：
1. 高速长大：马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。
2. 转变不完全：总有部分奥氏体未能转变而残留下来，称残余奥氏体，
用A'或'表示。
3. 在Ms以下，随温度下降，转变量增加，冷却中断，转变停止。
4. Ms、Mf 与冷速无关，主要取决于奥氏体中的合金元素含量。
5. 较高的强度和硬度，C%↑→ M 硬度↑，必须经过回火才能使用。
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第三章 钢的热处理
转变 转变 形成温 转变 类型 产物 度，℃ 机制
显微组织特征
HRC
获得 工艺
P A1~650
粗片状，F、Fe3C相间分布 5-20 退火
扩
珠
光 S 650~600 散 细片状，F、Fe3C相间分布 20-30 正火
型
体 T 600~560
极细片状，F、Fe3C相间分布
30-40
等温 处理
贝
B上
560~350
半扩
羽毛状，短棒状Fe3C分布于 过饱和F条之间
40-50
等温 处理
氏 体
B下
350~MS
散型
竹叶状，细片状Fe3C分布于 过饱和F针上
50-60
等温 淬火
马 氏
M针
MS~Mf
力体学与工M*程板条科学学MS院~Mf
非扩 散型
针状
60-65 淬火
板条状 机械材料与表50面技淬术火
第三章 钢的热处理
影响过冷奥氏体等温转变的因素
含碳量的影响：亚共析钢的C曲线随着含碳量的增加右移，过共析 钢的C曲线随着含碳量增加左移。
合金元素的影响：除钴以外所有的合金元素溶入奥氏体中都能增加 奥氏体的稳定性，使C曲线右移。
T/℃ 800
700
600
A3
A
A1
A→F
A→P
A+F
P+F
500
400
A→B
B
Ms
300
200
100 Mf 0
M+A'
-100 01
10 102 103 104
力学与工程科学时间学/s院
T/℃
800
A1
A
700
600
A→P
P
500
400
A→B
B
T/℃ 800 Acm A
700 A1
A→Fe3CⅡ
A+Fe3CⅡ
600
A→P
P+Fe3CⅡ
500
400
A→B
B
300
Ms
200
300 200 Ms
100
M+A'
100
M+A'
0 Mf -100
01
0
Mf
机械材料与表面技术 10
102
103
104
105
-100 0
1
时间/s
10 102 103 104 105 时间/s
第三章 钢的热处理
奥氏体连续冷却转变转变图
简称CCT图：Continuous Cooling Transformation
共析碳钢和过共析碳钢 在连续冷却过程不会发 生贝氏体转变 ；
存在转变终止线KK’，凡 冷却速度碰到终止线，A 就不会转变为P，而直到 Ms点一下转变为M。
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第三章 钢的热处理
参照奥氏体等温转变图定性估计连续冷却转变过程
A1
V1 P 炉冷(退火)
V2 S 空冷(正火)
Ms
V4
V3 M+T 油冷(淬火) Vk
M+A' 水冷(淬火)
Vk: 临界冷却速度，表 示奥氏体在冷却时中
热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组 织结构，获得所需要性能的一种工艺。
为简明表示热 处理的基本工 艺过程，通常 用温度—时间 坐标绘出热处 理工艺曲线
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热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。 在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。 在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。 至于模具、滚动轴承则要100%经过热处理。 总之，重要的零件都要经过适当的热处理才能使用。
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第三章 钢的热处理
热处理特点：热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等 的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状 热处理适用范围：只适用于固态下发生相变的材料，不发生固 态相变的材料不能用热处理强化
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第三章 钢的热处理
根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工
艺分类如下：
退火
普通热处理
正火 淬火
回火
表面淬火—感应加热、火焰加热、
热处理
表面热处理
电接触加热等 化学热处理—渗碳、氮化、碳氮
共渗、渗其他元素等
控制气氛热处理
其他热处理
真空热处理 形变热处理
激光热处理
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第三章 钢的热处理
§3.1 钢在加热时的转变 §3.2 奥氏体转变图（钢在冷却时的转变） §3.3 钢的普通热处理（退火、正火、淬火、回火） §3.4 钢的表面热处理（表面淬火和化学热处理） §3.5 钢的特种热处理
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第三章 钢的热处理
第一节 钢在加热时的转变 加热是热处理的第一道工序。 在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化
钢的临界温度
铁碳相图中PSK、GS、ES线 分别用A1、A3、Acm表示。 由于实际加热或冷却时存在 过冷或过热现象，因此，将 钢加热时的实际转变温度分 别用Ac1 、 Ac3 、 Accm表 示 ， 冷却时的实际转变温度分别 用Ar1、Ar3、Arcm表示
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一、奥氏体的形成 奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现共析钢为例说明：
第1步：奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形核。 第2步：奥氏体晶核长大：晶核通过碳原子的扩散向和Fe3C方向 长大。
第3步：残余Fe3C溶解：在成分、结构上比Fe3C更接近于奥氏体， 因而先于Fe3C消失，而残余Fe3C则随保温时间延长不断溶解直至 消失。
第4步：奥氏体均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高， 通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。
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一、奥氏体的形成 奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现共析钢为例说明：
转变步骤
奥氏体 形核
奥氏体 核长大
残余渗碳 体溶解
奥氏体成 分均匀化
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影响奥氏体形成速度的因素：奥氏体形成速度与加热温度、加 热速度、钢的成分以及原始组织等有关。
加热温度越高，奥氏体形成速度越快 加热速度越快，奥氏体形成速度越快 含碳量增加，利于奥氏体加速形成 钴、镍等↑ ； 合金元素显著影响奥氏体的形成速度 铬、钼、钒等↓；
硅、铝、锰等－。
组织（珠光体）越细，奥氏体形成速度越快
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二、奥氏体晶粒大小 1. 奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时晶粒细小均
匀。随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步 长大，这也是一个自发的过程。 2. 在给定温度下奥氏体的晶粒度称实际晶粒度。 3. 加热时奥氏体晶粒的长大倾向称本质晶粒度。
粗大的奥氏体晶粒会导致钢的力学性能降低，特别是韧性下降， 甚至在淬火时形成裂纹。当加热时奥氏体晶粒大小超过规定尺 寸时就成为一种加热缺陷，称之为过热
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起始晶粒度
奥氏体形成刚结束，奥氏体晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小
实际晶粒度
奥氏体在具体加热条件下所获得奥氏体晶粒的大小
本质晶粒度
本质粗晶粒钢（Mn，Si）
特定条件 下钢的奥氏体晶粒长大的倾向性 ，并不代表具体的晶粒大小
930±10℃，保温8h
本质细晶粒钢（Al）
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影响奥氏体晶粒长大的因素：
温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒长大越明显 加热速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细。 晶界上存在未溶的碳化物时，会对晶粒长大起阻碍作用，
使奥氏体晶粒长大倾向减小 合金元素，也影响奥氏体晶粒长大，除锰、磷外几乎所有
合金元素都阻碍奥氏体晶粒长大
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第二节 奥氏体转变图
1. 奥氏体是不是降温到临界温度以下就立即 发生转变呢？
2. 不同的冷却速度是否也得到同一种的组织 呢？
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第三章 钢的热处理
过冷奥氏体：在临界点以下存在的不稳定的且将要发生转变 的奥氏体，称为过冷奥氏体。
冷却方式：等等温温冷冷却却方方式式和连连续续冷冷却却方方式式。
转变产物组织性能均匀，研究领域应 用广
转变产物为粗细不匀甚至类型不同的 混合组织，实际生产中广泛采用
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奥氏体等温转变图 TTT曲线：Time, Temperature, Transformation C曲线T ：形状似C
高温T转m 变：
A1 ~ 560℃
中温转变：
过冷A → 珠光体（P）
转变终了线
560℃ ~ MS 过冷A →贝氏体（B）
低温转变： 转变开始线
MS ~ Mf
过冷A →马氏体（M）
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奥氏体等温转变图
以共析钢为例说明C曲线的建立过程： 取一批小试样并进行奥氏体化。 将试样分组淬入低于A1点的不同温度的恒温盐浴中，隔一定
时间取一试样淬入水中。 测定每个试样的转变量，确定各温度下转变量与转变时间的
关系。 将各温度下转变开始时间及终了时间标在温度—时间坐标中
，并分别连线。转变开始点的连线称转变开始线。转变终了 点的连线称转变终了线。
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T/℃
800
A1
A
700 过
转变开始
A→P
P 5~25HRC
600
冷 A→S A A→T
转变结束 S T
25~35HRC 35~40HRC
500 过 A→上B 400 冷
上B
40~50HRC
300 A
A→下B 下B 50~60HRC
Ms
200
100 A→M M+A'
60~65HRC
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0
Mf
-100 0
M
1 10 机1械02 材1料03 与10表4 面10技5 时术间/s
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A1-Ms 间及转变开始 线以左的区域为过冷 奥氏体区。
转变终了线以右及Mf 以下为转变产物区。
两线之间及Ms与Mf之 间为转变区。
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温 度
A1
A
过 A→P
P
冷
A
转变终了线
B
A→B
转变开始线
MS
A→M
Mf
M 时间
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过冷奥氏体等温转变过程及产物 珠珠光光体体（转A变1～560℃）、贝氏体（560℃～MS）和马氏体（MS～Mf）
1. 过冷奥氏体向珠光体转变，是通过形核和长大的过程来完成的； 共析钢成分易在奥氏体晶界处形核 亚、过共析钢在先析相上形核
2. 珠光体转变是一个扩散型转变（Fe、C原子都进行扩散）； Fe原子的扩散，完成γ相（面心立方）向α相（体心立方）的转变 C原子的扩散， γ相→ α相过程中多余的C原子以Fe3C形式析出
3. 一般情况下，珠光体为片状铁素体和片状渗碳体相间分布的层状组织。
片间距：相邻两片渗碳体中 心之间的距离
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F
渗碳体
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珠光体转变
随着转变温度的降低，片间距减小，强硬度提高，塑韧性也有改善
按照片层粗细可分为珠光体P，索氏体S和托氏体T，片间距P﹥S﹥T
珠光体 P 3800×
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索氏体 S 8000×
托氏体 T 8000×
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过冷奥氏体等温转变过程及产物 贝珠光氏体体（转A1变～560℃）、贝氏体（560℃～MS）和马氏体（MS～Mf）
与前面珠光体不同，贝氏体是一种半扩散型相变，形成含碳量过饱和 的铁素体，渗碳体从铁素体中析出（C原子扩散，析出碳化物）。
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贝氏体转变
上贝氏体：羽毛状，小片状Fe3C分布在F间，强度、韧性差。 下贝氏体：针片状，铁素体针叶内规则地分布着细片状碳化物，
强度、硬度、塑性、韧性均高于上贝氏体。
上贝氏体
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下贝氏体
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第三章 钢的热处理
过冷奥氏体等温转变过程及产物 马珠光氏体体（转A1～变560℃）、贝氏体（560℃～MS）和马氏体（MS～Mf）
马氏体转变是指钢从奥氏体状态快速冷却，来不及发生扩散分解而 产生的无扩散型的相变（C原子不扩散，保留在α相中；）。
特点：
1. 高速长大：马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。
2. 转变不完全：总有部分奥氏体未能转变而残留下来，称残余奥氏体，
用A'或'表示。
3. 在Ms以下，随温度下降，转变量增加，冷却中断，转变停止。
4. Ms、Mf 与冷速无关，主要取决于奥氏体中的合金元素含量。
5. 较高的强度和硬度，C%↑→ M 硬度↑，必须经过回火才能使用。
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转变 转变 形成温 转变 类型 产物 度，℃ 机制
显微组织特征
HRC
获得 工艺
P A1~650
粗片状，F、Fe3C相间分布 5-20 退火
扩
珠
光 S 650~600 散 细片状，F、Fe3C相间分布 20-30 正火
型
体 T 600~560
极细片状，F、Fe3C相间分布
30-40
等温 处理
贝
B上
560~350
半扩
羽毛状，短棒状Fe3C分布于 过饱和F条之间
40-50
等温 处理
氏 体
B下
350~MS
散型
竹叶状，细片状Fe3C分布于 过饱和F针上
50-60
等温 淬火
马 氏
M针
MS~Mf
力体学与工M*程板条科学学MS院~Mf
非扩 散型
针状
60-65 淬火
板条状 机械材料与表50面技淬术火
第三章 钢的热处理
影响过冷奥氏体等温转变的因素
含碳量的影响：亚共析钢的C曲线随着含碳量的增加右移，过共析 钢的C曲线随着含碳量增加左移。
合金元素的影响：除钴以外所有的合金元素溶入奥氏体中都能增加 奥氏体的稳定性，使C曲线右移。
T/℃ 800
700
600
A3
A
A1
A→F
A→P
A+F
P+F
500
400
A→B
B
Ms
300
200
100 Mf 0
M+A'
-100 01
10 102 103 104
力学与工程科学时间学/s院
T/℃
800
A1
A
700
600
A→P
P
500
400
A→B
B
T/℃ 800 Acm A
700 A1
A→Fe3CⅡ
A+Fe3CⅡ
600
A→P
P+Fe3CⅡ
500
400
A→B
B
300
Ms
200
300 200 Ms
100
M+A'
100
M+A'
0 Mf -100
01
0
Mf
机械材料与表面技术 10
102
103
104
105
-100 0
1
时间/s
10 102 103 104 105 时间/s
第三章 钢的热处理
奥氏体连续冷却转变转变图
简称CCT图：Continuous Cooling Transformation
共析碳钢和过共析碳钢 在连续冷却过程不会发 生贝氏体转变 ；
存在转变终止线KK’，凡 冷却速度碰到终止线，A 就不会转变为P，而直到 Ms点一下转变为M。
力学与工程科学学院
机械材料与表面技术
第三章 钢的热处理
参照奥氏体等温转变图定性估计连续冷却转变过程
A1
V1 P 炉冷(退火)
V2 S 空冷(正火)
Ms
V4
V3 M+T 油冷(淬火) Vk
M+A' 水冷(淬火)
Vk: 临界冷却速度，表 示奥氏体在冷却时中