钢的热处理原理精华版解读
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行长程扩散，相变依靠相界面的扩散移动而进行。
非扩散型相变（切变型相变） 在相变过程，没有成份变化，没有原子扩散，新
相的成长是通过晶格的切变和转动进行的，新相的 长大速度极快。
半扩散型相变 介于扩散型和非扩散型之间的相变。
13
第二节 钢在加热时的转变
任何热处理均以加热为其第一步。通常把钢加热获得奥氏 体的转变过程称为“奥氏体化”。对于钢的大多数热处理工 艺，奥氏体的形成及奥氏体晶粒的大小对随后冷却时奥氏体 的转变特点和转变产物的组织与性能都有显著影响。
铁素体向奥氏体的转变速度比渗碳体溶解的 速度快得多，因此，珠光体中的铁素体总是首 先消失。
18
（三）剩余渗碳体的溶解
铁素体消失后，仍有未溶解渗碳体存在。继续保温或继续 加热时，未溶渗碳体不断向奥氏体中溶解，直至全部消失。
（四）奥氏体成分均匀化
当渗碳体刚刚全部溶解完时，原渗碳体存在的地方含碳量 比原铁素体存在的地方含碳量要高，所以需要继续延长保温 时间或继续加热，让碳原子充分扩散，才能获得成分均匀的 奥氏体。
9
三、固态相变的特点
固态相变是由固相转变为固相。固态相变的驱动 力是新、旧两相之间的自由能差。与液态结晶相比， 固态相变有着显著不同的特点。 （一）相变阻力大
界面能和体积应变能是固态相变过程的阻力，而 液态金属结晶时的阻力只有界面能一项。此外，固 态相变时原子的扩散更为困难。
10
（二）新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向 关系
固态相变时，为了减小新、旧两相之间的界面能， 新相与母相晶体之间往往存在一定的晶体学位向关 系，常以低指数、原子密度大且匹配较好的晶面和 晶向相互平行。并且，新相往往在母相某一特定晶 面上形成，母相的这个晶面称为惯习面，这种现象 叫做惯习现象。
11
（三）母相晶体缺陷对相变起促进作用 固态相变时，新相晶核往往优先在母相中的各种晶
第一章 钢的热处理原理
第一节 概 述
一、热处理的作用
热处理工艺曲线示意图
热处理（heat treatment） 是将钢在固态下加热到预定的 温度，并在该温度下保持一段 时间，然后以一定的速度冷却 到室温的一种热加工工艺。
热处理的目的是改变钢的内 部组织结构，以改善其性能。
2
热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工 工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化 学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变 工件表面的显微组织或化学成分，赋予或改善工件的 使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般 是肉眼所不能看到的。
钢是机械工业中应用最广的材料，钢的显微组织复
杂，可以通过热处理予以控制，所以钢的热处理是金
属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其
合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性
能，以获得不同的使用性能。
3
早在公元前770～前222年，中国人在生产实践 中就已发现，铜、铁的性能会因温度和加压变形的 影响而变化。
公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高 钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。1974年中国 河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微 组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。
4
随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对 淬火质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为 诸葛亮制剑三千把，相传是派人到成都取水淬火的 （“汉中的水钝弱，不任淬；蜀水爽烈”）。这说 明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了。
亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相
同，但是只有当加热温度超过Ac3或Accm并保温足够时
间后，才能获得均匀的单相奥氏体。
19
二、影响奥氏体形成速度的因素
（一）加热温度和保温时间
加热温度必须高于Ac1点，珠光体才能向奥氏体转变。 转变需要一段孕育期以后才能开始，而且温度越高， 孕育期越短。
一、共析钢奥氏体的形成过程
+
wc=0.0218% 体心立方
Fe3C （T ＞ Ac1） wc=6.69% wc=0.77%
正交晶格 面心立方
奥氏体的形成过程就是铁晶格的改组和铁、碳原子的扩散
过程。
14
共析钢中奥氏体的形成由四个基本过程组成： 奥氏体形核、奥氏体长大、剩余渗碳体溶解和奥氏 体成分均匀化。
西汉（公元前206～公元24年）中山靖王（刘胜） 墓中的佩剑，其剑体含碳量为0.15～0.4％，而剑 刃含碳量却达0.6％以上，说明已应用了渗碳工艺。
5
1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢 铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢 在加热和冷却时内部会发生组织改变，钢中高温 时的相在急冷时转变为另一种较硬的相。法国人 奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人 奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺 初步奠定了理论基础。
6
二、热处理与相图
原则上只有在加热或冷却时发生溶解度显著变化或者 发生类似纯铁的同素异构转变，即有固态相变发生的合 金才能进行热处理。纯金属、某些单相合金等不能用热 处理强化。
合金相图
7
Fe-Fe3C相图
PSK线：A1 线 GS线：A3 线 ES线：Acm 线
8
通常把加热时的 实际临界温度标以 字母“c”，如Ac1、 Ac3、Accm；而把冷 却时的实际临界温 度 标 以 字 母 “ r” ， 如 Ar1 、 Ar3 、 Arcm 。
15
（一）奥氏体的形核 奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界
面上形成。 原因：在铁素体和渗碳体的相界处原子排列不规 则，处于高能不稳状态，具备形核所需要的结构 起伏和能量起伏条件。同时铁素体和渗碳体相界 面处碳浓度分布不均匀，容易出现奥氏体形核所 需要的浓度起伏。
16
（二）奥氏体的长大
17
奥氏体晶粒长大是通过渗碳体的溶解、碳在 奥氏体和铁素体中的扩散，以及铁素体向奥氏 体转变而进行的。
体缺陷处（如晶界、相界、位错、空位等）形成。
（四）易于出现过渡相 过渡相是一种亚稳定相，其成分和结构介于新相和
母相之间，是为了克服相变阻力而形成的一种协调性 中间转变产物。
固态相变一方面力求使自由能尽可能降低，另一方 面又力求沿着阻力最小、做功最少的途径而进行。
12
四、固态相变的类型
扩散型相变 在相变过程，发生成份变化，两相中的原子要进
非扩散型相变（切变型相变） 在相变过程，没有成份变化，没有原子扩散，新
相的成长是通过晶格的切变和转动进行的，新相的 长大速度极快。
半扩散型相变 介于扩散型和非扩散型之间的相变。
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第二节 钢在加热时的转变
任何热处理均以加热为其第一步。通常把钢加热获得奥氏 体的转变过程称为“奥氏体化”。对于钢的大多数热处理工 艺，奥氏体的形成及奥氏体晶粒的大小对随后冷却时奥氏体 的转变特点和转变产物的组织与性能都有显著影响。
铁素体向奥氏体的转变速度比渗碳体溶解的 速度快得多，因此，珠光体中的铁素体总是首 先消失。
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（三）剩余渗碳体的溶解
铁素体消失后，仍有未溶解渗碳体存在。继续保温或继续 加热时，未溶渗碳体不断向奥氏体中溶解，直至全部消失。
（四）奥氏体成分均匀化
当渗碳体刚刚全部溶解完时，原渗碳体存在的地方含碳量 比原铁素体存在的地方含碳量要高，所以需要继续延长保温 时间或继续加热，让碳原子充分扩散，才能获得成分均匀的 奥氏体。
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三、固态相变的特点
固态相变是由固相转变为固相。固态相变的驱动 力是新、旧两相之间的自由能差。与液态结晶相比， 固态相变有着显著不同的特点。 （一）相变阻力大
界面能和体积应变能是固态相变过程的阻力，而 液态金属结晶时的阻力只有界面能一项。此外，固 态相变时原子的扩散更为困难。
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（二）新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向 关系
固态相变时，为了减小新、旧两相之间的界面能， 新相与母相晶体之间往往存在一定的晶体学位向关 系，常以低指数、原子密度大且匹配较好的晶面和 晶向相互平行。并且，新相往往在母相某一特定晶 面上形成，母相的这个晶面称为惯习面，这种现象 叫做惯习现象。
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（三）母相晶体缺陷对相变起促进作用 固态相变时，新相晶核往往优先在母相中的各种晶
第一章 钢的热处理原理
第一节 概 述
一、热处理的作用
热处理工艺曲线示意图
热处理（heat treatment） 是将钢在固态下加热到预定的 温度，并在该温度下保持一段 时间，然后以一定的速度冷却 到室温的一种热加工工艺。
热处理的目的是改变钢的内 部组织结构，以改善其性能。
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热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工 工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化 学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变 工件表面的显微组织或化学成分，赋予或改善工件的 使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般 是肉眼所不能看到的。
钢是机械工业中应用最广的材料，钢的显微组织复
杂，可以通过热处理予以控制，所以钢的热处理是金
属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其
合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性
能，以获得不同的使用性能。
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早在公元前770～前222年，中国人在生产实践 中就已发现，铜、铁的性能会因温度和加压变形的 影响而变化。
公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高 钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。1974年中国 河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微 组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。
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随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对 淬火质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为 诸葛亮制剑三千把，相传是派人到成都取水淬火的 （“汉中的水钝弱，不任淬；蜀水爽烈”）。这说 明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了。
亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相
同，但是只有当加热温度超过Ac3或Accm并保温足够时
间后，才能获得均匀的单相奥氏体。
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二、影响奥氏体形成速度的因素
（一）加热温度和保温时间
加热温度必须高于Ac1点，珠光体才能向奥氏体转变。 转变需要一段孕育期以后才能开始，而且温度越高， 孕育期越短。
一、共析钢奥氏体的形成过程
+
wc=0.0218% 体心立方
Fe3C （T ＞ Ac1） wc=6.69% wc=0.77%
正交晶格 面心立方
奥氏体的形成过程就是铁晶格的改组和铁、碳原子的扩散
过程。
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共析钢中奥氏体的形成由四个基本过程组成： 奥氏体形核、奥氏体长大、剩余渗碳体溶解和奥氏 体成分均匀化。
西汉（公元前206～公元24年）中山靖王（刘胜） 墓中的佩剑，其剑体含碳量为0.15～0.4％，而剑 刃含碳量却达0.6％以上，说明已应用了渗碳工艺。
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1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢 铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢 在加热和冷却时内部会发生组织改变，钢中高温 时的相在急冷时转变为另一种较硬的相。法国人 奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人 奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺 初步奠定了理论基础。
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二、热处理与相图
原则上只有在加热或冷却时发生溶解度显著变化或者 发生类似纯铁的同素异构转变，即有固态相变发生的合 金才能进行热处理。纯金属、某些单相合金等不能用热 处理强化。
合金相图
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Fe-Fe3C相图
PSK线：A1 线 GS线：A3 线 ES线：Acm 线
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通常把加热时的 实际临界温度标以 字母“c”，如Ac1、 Ac3、Accm；而把冷 却时的实际临界温 度 标 以 字 母 “ r” ， 如 Ar1 、 Ar3 、 Arcm 。
15
（一）奥氏体的形核 奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界
面上形成。 原因：在铁素体和渗碳体的相界处原子排列不规 则，处于高能不稳状态，具备形核所需要的结构 起伏和能量起伏条件。同时铁素体和渗碳体相界 面处碳浓度分布不均匀，容易出现奥氏体形核所 需要的浓度起伏。
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（二）奥氏体的长大
17
奥氏体晶粒长大是通过渗碳体的溶解、碳在 奥氏体和铁素体中的扩散，以及铁素体向奥氏 体转变而进行的。
体缺陷处（如晶界、相界、位错、空位等）形成。
（四）易于出现过渡相 过渡相是一种亚稳定相，其成分和结构介于新相和
母相之间，是为了克服相变阻力而形成的一种协调性 中间转变产物。
固态相变一方面力求使自由能尽可能降低，另一方 面又力求沿着阻力最小、做功最少的途径而进行。
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四、固态相变的类型
扩散型相变 在相变过程，发生成份变化，两相中的原子要进