第六章 钢的热处理
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§ 6 – 4 钢的表面热处理
一、 表面淬火：
对工件表面快速加热，迅速冷却，只使 表面发生相变。
1. 加热方法： 感应加热、火焰加热。 2. 选用钢种：中碳钢、中碳合金钢。 3. 工序位置：整体热处理（调质）、
精加工以后进行。后 接低温回火。 4. 性能：表硬里韧，变形小。 5. 典型零件：机床齿轮。
8
⑶马氏体型转变
①产生：奥氏体急冷至Ms（约230℃）线以下，过冷度极大， 转变趋势极大，奥氏体极快地由 fcc 变成 bcc，而碳原子来 不及扩散，形成碳在 α – Fe中的过饱和间隙固溶体，即马 氏体，Martensite (M)。
②形貌：决定于奥氏体的含碳量： ● 当Wc ＞ 1.0%时，全部形成针片状马氏体 M片； ● 当Wc＜ 0.2%时，全部形成板条状马氏体 M条； ● 当0.2%＜Wc＜1.0%时，形成混合马氏体。
Accm与 Arcm 都可简写为Acm
三、热处理的分类
●普通热处理： 退火、正火、 淬火、 回火；
●表面热处理：表面淬火、化学热处 理；
●特殊热处理：真空热处理、形变热 处理、可控气氛热处 理 ………
1
§6 – 1 钢在加热时的组织转变 一、奥氏体的形成
根据 Fe - Fe3C 相图，钢在加热时发生珠光体向奥氏 体的转变，此转变过程称奥氏体化。
1. 加热温度 ●亚共析钢： Ac3 + 30~50℃
淬火组织： M + A’（少量）
●过共析钢： Ac1 + 30~50℃ 保温时组织：A + Fe3C（粒） 淬火组织：M +A’少量 + Fe3C（粒）
保温时未溶的Fe3C（粒）可阻碍 奥氏体晶粒长大，淬火组织中 Fe3C(粒)可以提高钢的耐磨性。 最终得到高硬度、高耐磨性及适 当韧性的淬火组织。
2. 应用
根据TTT（或CCT）曲线可以方便 地解决以下问题：
冷却方式
所得组织
3. 临界冷却速度： 在连续冷却过程中只发生马氏体转 变的最小冷却速度（图中Vk）。
13
§6 –3 钢的整体热处理 概述
1. 机械零件加工的一般工艺流程 铸（锻）造成形 → 预先（备）热处理 → 粗加工 → 最终 热处理 → 精加工
⑶ 典型零件：汽车、拖拉机变速箱齿轮。
22
五、钢的淬透性与淬硬性 1. 淬硬性：
淬火得到马氏体硬度的高低。 影响淬硬性主要因素是：马氏体内含碳量越多，硬度越高。 2. 淬透性： 淬火得到马氏体层的深度,即得到马氏体多少的能力。 影响淬透性主要因素是：加热时溶入A的合金元素越多，C曲 线就越右移，则零件淬火时得到的M越多，淬透性就越好。 合金钢的淬透性优于碳素钢。
组织：F + P
降低硬度，均匀组织。
2. 球化退火 用于过共析钢
加热温度Ac1 + 20~30℃，保温后 缓慢冷却。
在两相区保温时，形成 A +大量 未溶的 Fe3C 颗粒。
缓冷过程中产生的 Fe3C 依附于 未溶的Fe3C 颗粒长大，最后形成： 铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C， 即粒状珠光体，这种组织硬度低， 利于切削加工。
●共析钢： P → A ●亚共析钢：P + F → A + F → A ●过共析钢：P + Fe3CⅡ→ A+ Fe3CⅡ→ A
热处理时应进行适当时间的保温。保温的目的是使工 件各部分温度一致，组织转变充分均匀。
2
§6 – 2 钢在冷却时的组织转变
一、 过冷奥氏体的等温转变曲线 Time-Temperature-Transformation 1. 共析碳钢的过冷奥氏体的等温转
淬火钢再加热至Ac1以下某温度保温后冷却，获得回火组织，可以稳定组织， 消除应力，降低脆性，调整性能。
2. 回火组织与性能： ●回火时 碳化物逐渐析出，A’ 逐渐消失，形成碳化物分布在 M 或 F 的基体之上 的 粒状组织。 ●随回火温度升高，颗粒渐粗， 硬度渐低。因此组织粒度可调，材料性能可调。 ●与片状组织相比，粒状组织在相同强度时韧性更好，具有更好的综合力学性能。
片间距μm 0.4 – 0.7 0.25 – 0.4 0.25以下
硬度HRC ≤ 25 35 – 25 40 – 35
6
⑵贝氏体型转变
贝氏体: bainite 发生在鼻部以下（ 550℃~Ms） 产物也为F与Fe3C机械混合物， 随温度由高至低，分别称为: 上贝氏体 B上、下贝氏体 B下 ， 其形貌、性能如下表所示：
● 过共析钢： Fe3C (少量) + S(或T) 3. 主要作用： ●亚共析钢：在低、中碳钢中代替完全退火。 ●过共析钢：因空气冷却速度较快，先共析相 Fe3C 的析出量
较少，不能连成网状，故起到消除网状组织的作用。 16
三、淬火 quenching 将钢加热至临界点以上保温后，以大于临界冷却速度的冷速 冷至Ms点以下获得马氏体的热处理工艺。
回火组织 回火马氏体
回火屈氏体
回火索氏体
符 号 形成温度 M回 150℃~250℃
T回 350℃~500℃
S回 500℃~650℃
硬 度及应用 高硬度、高耐磨性 用于工模具、轴承、齿轮表面等
HRC 35~45 各类弹簧
HRC 25~35 用于要求强韧性配合的零件,如轴类等
19
3. 回火温度 低温回火： 150℃~250℃ ； 中温回火： 350℃~500℃ ； 高温回火： 500℃~650℃ ，淬火 + 高温回火又称为调质。
元素除外），孕育期变长。这是合金元素提高钢淬透性的 理论根据。 ⑵某些合金元素使C曲线出现二个鼻子。
12
二、过冷奥氏体的连续冷却转变曲线 Continuous Cooling Transformation（CCT曲线）
1. CCT曲线的建立、形状及转变组织都 与TTT曲线相似。 主要区别：共析钢和过共析钢的 CCT无贝氏体转变。 在生产实践中一般以TTT曲线代替 CCT曲线分析连续冷却转变组织。
● 在Ms以下降温过程中形成，等温过程马氏体量不增加。
● 转变过程伴随体积膨胀，导致工件变形。
10
3. 非共析碳钢C曲线 亚共析碳钢的C曲线还有一条 A→F 转变线（F是先共析
相）； 过共析碳钢的C曲线还有一条 A→Fe3C 转变线（ Fe3C是先
共析相） ：
11
4. 合金元素对C曲线的影响 ⑴加热时，合金元素溶入奥氏体后一般都使C曲线右移（钴
15
3. 去应力退火 加热至Ac1以下（250~400℃），保温后缓冷。 无组织变化，用于铸、锻、焊及冷变形件去除应力。
二、正火 normalizing 1. 工艺： 加热温度： ●亚共析钢 Ac3 + 30~50℃
●过共析钢 Acm + 30~50℃ 冷却方式：保温后在空气中冷却。 2. 组织： ●亚共析钢 ：F(少量) + S(或T)
2. 热处理工序的作用 ⑴预先（备）热处理 ： 包括退火、正火。 消除铸（锻）件的组织缺陷，均匀组织，细化晶粒，降低 硬度，消除应力。 ⑵最终热处理 ： 包括淬火、回火。 形成零件使用时需要的组织和性能。
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一、退火 annealing 1. 完全退火 用于亚共析钢
加热温度Ac3 + 20~30℃，保温后缓 慢冷却。
随温度由高至低，层片由粗到 细,分别称为珠光体（P）、索 氏体（S）、屈氏体（T），硬 度逐渐升高，同时韧性也有改 善。P、S 、T的比较见下表：
名称
代号
珠光体 Pearlite P
索氏体 Sorbite S
屈氏体 Troostite T
转变温度℃ Ar1 – 650 650 – 600 600 – 550
第六章 钢的热处理
概述
一、 什么是热处理？ 用加热、保温和冷却的方法，改
变钢的组织，提高其性能的一种工 艺。
二、钢的临界点 钢实际加热（冷却）时的相变温度
比平衡条件下的温度高（低）一 些。
平衡条件下 加热时 冷却时
A1（PSK线） Ac1 A3（GS线） Ac3 Acm（ES线） Accm
Ar1 Ar3 Arcm
变曲线 (简称TTT曲线或C曲 线）
过冷奥氏体：在A1以下的奥氏体。
⑴建立：实验方法，如右图。 ⑵孕育期：C曲线上曲线与纵轴间
的距离。在550℃左右处孕育期 最短，过冷奥氏体最不稳定。此 处称C曲线的鼻部。
5
2. 转变产物及性能 ⑴珠光体型转变
发生在鼻部以上（Ar1~ 550℃） 产物为层片状的 F 与 Fe3C 机 械混合物，如右图所示。
名称 上贝氏体 下贝氏体
符号 B上 B下
形成温度 550 ℃~350 ℃
350 ℃~Ms
形貌 羽毛状 竹叶状
性
能
HRC40~50, 韧性差
HRC50~55, 韧性好
B下具有优良的综合力学性能，生产实践中应用于要求高强 韧性的工件（如工模具等）。
7
• 上贝氏体的形貌为羽毛 状, 如右图所示:
• 下贝氏体的形貌为竹叶 状, 如右图所示:
17
2. 冷却方法 原则：淬火时既要快冷获得M，
又要尽可能减小内应力，减 少变形和开裂。 ⑴单液淬火：碳钢 — 水
合金钢 — 油。 ⑵双液淬火：水淬油冷。
⑶分级淬火：冷却时短暂停留， 减小冷却温差。
⑷等温淬火：获得下贝氏体。
18
四、回火 tempering
1. 目的：淬火组织为M + A’，不稳定，内应力大，脆性大，所以钢 淬火后必须 回火。
③性能：因碳在 α – Fe中的过饱和，晶格严重畸变，所以 M片具有高硬度高强度，但塑性韧性低； M条具有较高硬度强度，塑性韧性也较好。
9
板条状马氏体的形貌
源自文库
针片状马氏体的形貌
④马氏体转变的主要特点
● 转变驱动力极大，转变中无原子扩散，高速形成。
● 转变总是进行不完全，存在残余奥氏体 A’。
但碳素钢的残余奥氏体 少，可忽略。合金钢则不能忽略。
21
二、化学热处理
1. 概念：将工件置于一定化学介质中加热、保温，介质中的活性 原子渗入工件表面，然后进行渗后热处理，既改变表面化学成 分，又改变表面组织。
2. 渗碳 ⑴ 选用钢种：低碳钢，低碳合金钢，（皆是低碳的亚共析钢）。 ⑵ 热处理： 渗碳 + 淬火 + 低温回火
组织：表面为过共析钢：M回 + A’ + Fe3C （粒），高硬度、 高耐磨性。 心部为亚共析钢：一般为混合组织， 具有较高的强 韧性。
§ 6 – 4 钢的表面热处理
一、 表面淬火：
对工件表面快速加热，迅速冷却，只使 表面发生相变。
1. 加热方法： 感应加热、火焰加热。 2. 选用钢种：中碳钢、中碳合金钢。 3. 工序位置：整体热处理（调质）、
精加工以后进行。后 接低温回火。 4. 性能：表硬里韧，变形小。 5. 典型零件：机床齿轮。
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⑶马氏体型转变
①产生：奥氏体急冷至Ms（约230℃）线以下，过冷度极大， 转变趋势极大，奥氏体极快地由 fcc 变成 bcc，而碳原子来 不及扩散，形成碳在 α – Fe中的过饱和间隙固溶体，即马 氏体，Martensite (M)。
②形貌：决定于奥氏体的含碳量： ● 当Wc ＞ 1.0%时，全部形成针片状马氏体 M片； ● 当Wc＜ 0.2%时，全部形成板条状马氏体 M条； ● 当0.2%＜Wc＜1.0%时，形成混合马氏体。
Accm与 Arcm 都可简写为Acm
三、热处理的分类
●普通热处理： 退火、正火、 淬火、 回火；
●表面热处理：表面淬火、化学热处 理；
●特殊热处理：真空热处理、形变热 处理、可控气氛热处 理 ………
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§6 – 1 钢在加热时的组织转变 一、奥氏体的形成
根据 Fe - Fe3C 相图，钢在加热时发生珠光体向奥氏 体的转变，此转变过程称奥氏体化。
1. 加热温度 ●亚共析钢： Ac3 + 30~50℃
淬火组织： M + A’（少量）
●过共析钢： Ac1 + 30~50℃ 保温时组织：A + Fe3C（粒） 淬火组织：M +A’少量 + Fe3C（粒）
保温时未溶的Fe3C（粒）可阻碍 奥氏体晶粒长大，淬火组织中 Fe3C(粒)可以提高钢的耐磨性。 最终得到高硬度、高耐磨性及适 当韧性的淬火组织。
2. 应用
根据TTT（或CCT）曲线可以方便 地解决以下问题：
冷却方式
所得组织
3. 临界冷却速度： 在连续冷却过程中只发生马氏体转 变的最小冷却速度（图中Vk）。
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§6 –3 钢的整体热处理 概述
1. 机械零件加工的一般工艺流程 铸（锻）造成形 → 预先（备）热处理 → 粗加工 → 最终 热处理 → 精加工
⑶ 典型零件：汽车、拖拉机变速箱齿轮。
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五、钢的淬透性与淬硬性 1. 淬硬性：
淬火得到马氏体硬度的高低。 影响淬硬性主要因素是：马氏体内含碳量越多，硬度越高。 2. 淬透性： 淬火得到马氏体层的深度,即得到马氏体多少的能力。 影响淬透性主要因素是：加热时溶入A的合金元素越多，C曲 线就越右移，则零件淬火时得到的M越多，淬透性就越好。 合金钢的淬透性优于碳素钢。
组织：F + P
降低硬度，均匀组织。
2. 球化退火 用于过共析钢
加热温度Ac1 + 20~30℃，保温后 缓慢冷却。
在两相区保温时，形成 A +大量 未溶的 Fe3C 颗粒。
缓冷过程中产生的 Fe3C 依附于 未溶的Fe3C 颗粒长大，最后形成： 铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C， 即粒状珠光体，这种组织硬度低， 利于切削加工。
●共析钢： P → A ●亚共析钢：P + F → A + F → A ●过共析钢：P + Fe3CⅡ→ A+ Fe3CⅡ→ A
热处理时应进行适当时间的保温。保温的目的是使工 件各部分温度一致，组织转变充分均匀。
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§6 – 2 钢在冷却时的组织转变
一、 过冷奥氏体的等温转变曲线 Time-Temperature-Transformation 1. 共析碳钢的过冷奥氏体的等温转
淬火钢再加热至Ac1以下某温度保温后冷却，获得回火组织，可以稳定组织， 消除应力，降低脆性，调整性能。
2. 回火组织与性能： ●回火时 碳化物逐渐析出，A’ 逐渐消失，形成碳化物分布在 M 或 F 的基体之上 的 粒状组织。 ●随回火温度升高，颗粒渐粗， 硬度渐低。因此组织粒度可调，材料性能可调。 ●与片状组织相比，粒状组织在相同强度时韧性更好，具有更好的综合力学性能。
片间距μm 0.4 – 0.7 0.25 – 0.4 0.25以下
硬度HRC ≤ 25 35 – 25 40 – 35
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⑵贝氏体型转变
贝氏体: bainite 发生在鼻部以下（ 550℃~Ms） 产物也为F与Fe3C机械混合物， 随温度由高至低，分别称为: 上贝氏体 B上、下贝氏体 B下 ， 其形貌、性能如下表所示：
● 过共析钢： Fe3C (少量) + S(或T) 3. 主要作用： ●亚共析钢：在低、中碳钢中代替完全退火。 ●过共析钢：因空气冷却速度较快，先共析相 Fe3C 的析出量
较少，不能连成网状，故起到消除网状组织的作用。 16
三、淬火 quenching 将钢加热至临界点以上保温后，以大于临界冷却速度的冷速 冷至Ms点以下获得马氏体的热处理工艺。
回火组织 回火马氏体
回火屈氏体
回火索氏体
符 号 形成温度 M回 150℃~250℃
T回 350℃~500℃
S回 500℃~650℃
硬 度及应用 高硬度、高耐磨性 用于工模具、轴承、齿轮表面等
HRC 35~45 各类弹簧
HRC 25~35 用于要求强韧性配合的零件,如轴类等
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3. 回火温度 低温回火： 150℃~250℃ ； 中温回火： 350℃~500℃ ； 高温回火： 500℃~650℃ ，淬火 + 高温回火又称为调质。
元素除外），孕育期变长。这是合金元素提高钢淬透性的 理论根据。 ⑵某些合金元素使C曲线出现二个鼻子。
12
二、过冷奥氏体的连续冷却转变曲线 Continuous Cooling Transformation（CCT曲线）
1. CCT曲线的建立、形状及转变组织都 与TTT曲线相似。 主要区别：共析钢和过共析钢的 CCT无贝氏体转变。 在生产实践中一般以TTT曲线代替 CCT曲线分析连续冷却转变组织。
● 在Ms以下降温过程中形成，等温过程马氏体量不增加。
● 转变过程伴随体积膨胀，导致工件变形。
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3. 非共析碳钢C曲线 亚共析碳钢的C曲线还有一条 A→F 转变线（F是先共析
相）； 过共析碳钢的C曲线还有一条 A→Fe3C 转变线（ Fe3C是先
共析相） ：
11
4. 合金元素对C曲线的影响 ⑴加热时，合金元素溶入奥氏体后一般都使C曲线右移（钴
15
3. 去应力退火 加热至Ac1以下（250~400℃），保温后缓冷。 无组织变化，用于铸、锻、焊及冷变形件去除应力。
二、正火 normalizing 1. 工艺： 加热温度： ●亚共析钢 Ac3 + 30~50℃
●过共析钢 Acm + 30~50℃ 冷却方式：保温后在空气中冷却。 2. 组织： ●亚共析钢 ：F(少量) + S(或T)
2. 热处理工序的作用 ⑴预先（备）热处理 ： 包括退火、正火。 消除铸（锻）件的组织缺陷，均匀组织，细化晶粒，降低 硬度，消除应力。 ⑵最终热处理 ： 包括淬火、回火。 形成零件使用时需要的组织和性能。
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一、退火 annealing 1. 完全退火 用于亚共析钢
加热温度Ac3 + 20~30℃，保温后缓 慢冷却。
随温度由高至低，层片由粗到 细,分别称为珠光体（P）、索 氏体（S）、屈氏体（T），硬 度逐渐升高，同时韧性也有改 善。P、S 、T的比较见下表：
名称
代号
珠光体 Pearlite P
索氏体 Sorbite S
屈氏体 Troostite T
转变温度℃ Ar1 – 650 650 – 600 600 – 550
第六章 钢的热处理
概述
一、 什么是热处理？ 用加热、保温和冷却的方法，改
变钢的组织，提高其性能的一种工 艺。
二、钢的临界点 钢实际加热（冷却）时的相变温度
比平衡条件下的温度高（低）一 些。
平衡条件下 加热时 冷却时
A1（PSK线） Ac1 A3（GS线） Ac3 Acm（ES线） Accm
Ar1 Ar3 Arcm
变曲线 (简称TTT曲线或C曲 线）
过冷奥氏体：在A1以下的奥氏体。
⑴建立：实验方法，如右图。 ⑵孕育期：C曲线上曲线与纵轴间
的距离。在550℃左右处孕育期 最短，过冷奥氏体最不稳定。此 处称C曲线的鼻部。
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2. 转变产物及性能 ⑴珠光体型转变
发生在鼻部以上（Ar1~ 550℃） 产物为层片状的 F 与 Fe3C 机 械混合物，如右图所示。
名称 上贝氏体 下贝氏体
符号 B上 B下
形成温度 550 ℃~350 ℃
350 ℃~Ms
形貌 羽毛状 竹叶状
性
能
HRC40~50, 韧性差
HRC50~55, 韧性好
B下具有优良的综合力学性能，生产实践中应用于要求高强 韧性的工件（如工模具等）。
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• 上贝氏体的形貌为羽毛 状, 如右图所示:
• 下贝氏体的形貌为竹叶 状, 如右图所示:
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2. 冷却方法 原则：淬火时既要快冷获得M，
又要尽可能减小内应力，减 少变形和开裂。 ⑴单液淬火：碳钢 — 水
合金钢 — 油。 ⑵双液淬火：水淬油冷。
⑶分级淬火：冷却时短暂停留， 减小冷却温差。
⑷等温淬火：获得下贝氏体。
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四、回火 tempering
1. 目的：淬火组织为M + A’，不稳定，内应力大，脆性大，所以钢 淬火后必须 回火。
③性能：因碳在 α – Fe中的过饱和，晶格严重畸变，所以 M片具有高硬度高强度，但塑性韧性低； M条具有较高硬度强度，塑性韧性也较好。
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板条状马氏体的形貌
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针片状马氏体的形貌
④马氏体转变的主要特点
● 转变驱动力极大，转变中无原子扩散，高速形成。
● 转变总是进行不完全，存在残余奥氏体 A’。
但碳素钢的残余奥氏体 少，可忽略。合金钢则不能忽略。
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二、化学热处理
1. 概念：将工件置于一定化学介质中加热、保温，介质中的活性 原子渗入工件表面，然后进行渗后热处理，既改变表面化学成 分，又改变表面组织。
2. 渗碳 ⑴ 选用钢种：低碳钢，低碳合金钢，（皆是低碳的亚共析钢）。 ⑵ 热处理： 渗碳 + 淬火 + 低温回火
组织：表面为过共析钢：M回 + A’ + Fe3C （粒），高硬度、 高耐磨性。 心部为亚共析钢：一般为混合组织， 具有较高的强 韧性。