第五章 金属材料的改性处理
? 改善金属材料的性能，主要可以通过如下几种途径：
? 合金化 即加入合金元素，调整材料的化学成分。可显著
提高钢的强度、硬度和韧性，并使其具有耐蚀、耐热等特
殊性能
? 热处理 即金属材料通过不同的加热、保温和冷却的方式，
使其内部的组织结构发生变化，以达到改善加工工艺性能
和强化力学性能的目的
? 细晶强化 即通过增加过冷度和变质处理细化晶粒，使金
属材料的强度、硬度和塑、韧性都得到提高。
? 冷变形强化 即对金属材料进行冷塑性变形，改变其组织、
结构，使强度、硬度提高，而塑性、韧性下降
? 本章主要介绍钢的热处理、钢的表面强化处理、铸铁的改性处理等有关内容
5.1金属材料的改性处理理论基础
? 5.1.1钢在加热时的组织转变
? Fe-Fe3C相图中,PSK,GS,ES三条线是钢的固
态平衡临界温度线，分别以 A1,A3,Acm表示
? 但在实际加热时，相变临界温度都会有所提高。
为区别于平衡临界温度，分别以 Ac1,Ac3、
Accm表示
? 实际冷却时，相变临界温度又都比平衡时的临
界温度有所降低，分别以 Ar1,Ar3,Arcm表示
? 图 5-1为这些临界
温度线在 Fe-Fe3C
相图上的位置示
意图。上述的实
际临界温度并不
是固定的，它们
受到含碳量、合
金元素含量、奥
氏体化温度、加
热和冷却速度等
因素的影响而变
化
1.奥氏体的形成
? 以共析碳钢为例，常温组织为珠光体，当温度加热到 Acl以上时，必将发生奥氏体转变，其转变也
是由形核和核长大两个基本过程完成的。此时珠
光体很不稳定，铁素体和渗碳体的界面在成分和
结构上处于有利于转变的条件，首先在这里形成
奥氏体晶核，随即建立奥氏体与铁素体以及奥氏
体与渗碳体之间的平衡，依靠铁、碳原子的扩散，
使邻近的铁素体晶格改组为面心立方晶格的奥氏
体。同时，邻近的渗碳体不断溶入奥氏体，一直
进行到铁素体全部转变为奥氏体，这样各个奥氏
体的晶核均得到了长大，直到各个位向不同的奥氏体晶粒接触为止。
? 由于渗碳体的晶体结构和含碳量都与奥氏体
的差别很大，故铁素体向奥氏体的转变速度
要比渗碳体向奥氏体的溶解快得多。渗碳体
完全溶解后，奥氏体中碳浓度的分布是不均
匀的，原来是渗碳体的地方碳浓度较高，原
先是铁素体的地方碳浓度较低，必须继续保
温，通过碳的扩散获得均匀的奥氏体。
? 上述奥氏体的形成过程可以看成由奥氏体形
核、晶核的长大、残留渗碳体的溶解和奥氏
体的均匀化四个阶段组成，图 2-1-2示意说明
了转变的整个过程。
? 亚共析钢和过共析钢的完全奥氏体化过程
与共析钢基本相似。亚共析钢加热到 Ac1以
上时，组织中的珠光体先转变为奥氏体，
而组织中的铁素体只有在加热到 Ac3以上时
才能全部转变为奥氏体。同样，过共析钢
只有加热到 Accm以上时才能得到均匀的单
相奥氏体组织。
2,奥氏体晶粒大小及影响因素
? 钢的奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却后
所得的组织和性能。奥氏体的晶粒越细，
冷却后的组织也越细，其强度、塑性和韧
性愈好。因此在用材和热处理工艺上，如
何获得细的奥氏体晶粒，对工件最终的性
能和质量具有重要意义
(1) 奥氏体晶粒度
? 晶粒度是表示晶粒大小的一种指标，奥氏
体晶粒度有三种不同的概念
? 起始晶粒度 是指珠光体刚刚全部转变成奥
氏体时其晶粒的大小
? 实际晶粒度 是指钢在某个具体热处理或热
加工条件下所获得的奥氏体晶粒的大小
? 本质晶粒度 表示钢在规定条件下奥氏体晶
粒的长大倾向
? 根据奥氏体晶粒在加热时长大的倾向性不
同，将钢分为两类
? 一类是晶粒长大倾向小的钢，称本质细晶粒钢
? 另一类是晶粒长大倾向大的，称本质粗晶粒钢
? 据冶金部标准规定，本质晶粒度是将钢加
热到 930± 10℃,保温 3～ 8小时冷却后，在
显微镜下放大 100倍测定的奥氏体晶粒的大
小
? 本质细晶粒钢在加热到临界点 Ac1以上直到
930℃ 晶粒并无明显长大，超过此温度后,由
于阻止晶粒长大的氧化铝等不熔质点消失，
晶粒随即迅速长大
? 本质粗晶粒钢，由于没有氧化物等阻止晶
粒长大的因素，加热到临界点 Acl以上，晶
粒开始不断长大
? 在工业生产中，一般经铝脱氧的钢大多是本质细
晶粒钢，而只用锰硅脱氧的钢为本质粗晶粒钢；
沸腾钢一般都为本质粗晶粒钢，而镇静钢一般为
本质细晶粒钢。需经热处理的工件一般都采用本
质细晶粒钢。
? 为了评定奥氏体晶粒的大小，制定了奥氏体晶粒
等级标准，如图 5-3所示。一般结构钢的奥氏体晶
粒度分为 8级,1级最粗,8级最细，一般认为 1～ 4
级为粗晶粒,5～ 8级为细晶粒。
（ 2）影响奥氏体晶粒度的因素
? 加热温度和保温时间
? 随着奥氏体晶粒长大，晶界总面积减少而
系统的能量降低。所以在高温下奥氏体晶
粒长大是一个自发过程。奥氏体化温度越
高，晶粒长大越明显。在一定温度下，保
温时间越长越有利于晶界总面积减少而导
致晶粒粗化
? 钢的成分
? 奥氏体中含碳量增加时，奥氏体晶粒的长大倾向
也增大，碳是一个促使钢的奥氏体晶粒长大的元
素。如果碳以未溶碳化物的形式存在，则具有阻
碍晶粒长大的作用
? 钢中加入能形成稳定碳化物的元素 (如 Ti,V,Nb、
Zr等 )，能生成氧化物和氮化物的元素 (如 A1)，都
会不同程度地阻碍奥氏体晶粒长大。因为这些碳
化物、氧化物和氮化物弥散分布在晶界上，起到
了阻碍晶粒长大作用。
? Mn和 P是促进奥氏体晶粒长大的元素，在热处理
加热温度的选择和温度控制中必须小心谨慎，以
免晶粒长大而导致工件性能下降
5.1.2 钢在冷却时的组织转变
? 钢加热奥氏体化后，再进行冷却，奥氏体
将发生变化。因冷却条件不同，转变产物
的组织结构也不同，性能也会有显著的差
异。所以，冷却过程是热处理的关键工序，
决定着钢在热处理后的组织和性能。
? 热处理的冷却方式可分
为两种：
? — 种是将奥氏体迅速冷
至 Ar1以下某个温度，
等温停留一段时间，再
继续冷却，通常称之为
,等温冷却,,见图 2-
1-4中曲线 1
? 另一种是将奥氏体以一
定的速度冷却，如水冷、
油冷、空冷、炉冷等，
称为, 连续冷却,,见
图 2-1-4中曲线 2
? 钢在高温时形成的奥氏体，过冷至 Ar1以下，
成为热力学上不稳定状态的过冷奥氏体。
现以共析钢为例，讨论过冷奥氏体在不同
冷却条件下的转变形式及其转变产物的组
织和性能。
1.过冷奥氏体等温转变曲线 (C曲线 )
? (1)过冷奥氏体等温转变曲线 (TTT图 )的建立
? 共析碳钢的等温转变曲线通常采用金相法配
合测量硬度的方法建立，有时需用磁性法和
膨胀法给予补充和校核。
? 如图 5-5所示。将一系列共析碳钢薄片试样加热到
奥氏体化后，分别迅速投入 Ac1以下不同温度的等
温槽中，使之在等温条件下进行转变，每隔一定
时间取出一块，立即在水中冷却，对各试样进行
金相观察，并测定硬度，由此得出在不同温度、
不同恒温时间下奥氏体的转变量。并分别测定出
过冷奥氏体的转变开始和转变终了时间，将所得
结果标注在温度与时间的坐标系中，再将意义相
同的点连接起来，即可得 TTT图
? 因曲线形状如字母, C”，故又称为 C曲线。图 5-6
为完整的共析钢 C曲线，图中标出了过冷奥氏体在
各温度范围等温所得组织和硬度。应当注意的是，
这里时间采用了对数坐标分度
(2) 过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能
? C曲线上方一条水平线为 A1线，在 A1线以上
区域奥氏体能稳定存在。在 C曲线中，左边
一条曲线为转变开始线，在 A 1线以下和转
变开始线以左为过冷奥氏体区。由纵坐标
轴到转变开始线之间的水平距离表示过冷
奥氏体等温转变前所经历的时间，称为孕
育期。
? 由 C曲线形状可知，过冷奥氏体等温转变的孕育期
随着等温温度而变化,C曲线鼻尖处的孕育期最短，
过冷奥氏体最不稳定，提高或降低等温温度，都
会使孕育期延长，过冷奥氏体稳定性增加
? C曲线中右边一条线为转变终止线，其右边的区域
为转变产物区，两条曲线之间的区域为转变过渡
区,即转变产物与过冷奥氏体共存区
? C曲线下方的两条水平线：
? Ms(230℃ )为马氏体转变的开始线
? Mf(-50℃ )为马氏体转变的结束线
? 由 C曲线图可知，奥氏体在不同的过冷度有
不同的等温转变过程，相应有不同的转变产
物，以共析钢为例，根据转变产物的不同特
点，可划分为三个转变区
? ① 珠光体类型组织转变区 过冷温度在 A1～ 550℃ 之间的转
变产物为珠光体类型组织
? 如图 2-1-5所示，首先在奥氏体晶界或缺陷密集处形成渗碳
体晶核，而后依靠周围奥氏体不断供给碳原子而长大，同
时渗碳体晶核周围的奥氏体中含碳量逐渐减少，于是 γ-Fe
晶格转变为 α-Fe晶格而成为铁素体。铁素体的溶碳能力很
低，在长大过程中将过剩的碳扩散到相邻的奥氏体中，使
其含碳量升高，又为生成新的渗碳体核晶创造条件。这样
反复进行，奥氏体就逐渐转变成渗碳体和铁素体片层相间
的珠光体组织
? 随着转变温度的下降，渗碳体形核和长大加快，因此形成
的珠光体变得越来越细，为区别起见。根据片层间距的大
小，将珠光体类组织分为 珠光体、索氏体、托氏体,其形
成温度范围、组织和性能见表 2-1-1。
?表 2-1-1 共析碳钢的三种珠光体类组织与性能
组织名称及符号 珠光体 (P) 索氏体 (S) 托氏体 (T)
形成温度范围 A1~650℃ 650~600℃ 600~550℃
片层间距 (μ m) > 0.4 0.4~0.2 < 0.2
HBS 70~230 230~320 30~400
σ b/MPa 550 870 1100
? ② 贝氏体转变区 过冷温度在 550℃ ～ Ms之间，转
变产物为贝氏体 (B)
? 贝氏体是铁素体及其分布着弥散的碳化物所形成的亚稳组织
? 奥氏体向贝氏体的转变属半扩散型转变，铁原子基本不扩散而碳原子尚有一定扩散能力
? 当转变温度在 550℃ ～ 350℃ 范围内，先在奥氏体晶
界上碳含量较低的地方生成铁素体晶核，然后向
晶粒内沿一定方向成排长大成一束大致平行的含
碳微过饱和的铁素体板条。在此温度下碳仍具有
一定的扩散能力，铁素体长大时它能扩散到铁素
体外围，并在板条的边界上分布着沿板条长轴方
向排列的碳化物短棒或小片，形成羽毛状的组织，称为上贝氏体 (B上 )，见图 5-7、图 5-8
? 当温度降到 350℃ ～ Ms之间时，铁素体晶核
首先在奥氏体晶界或晶内某些缺陷较多的
地方形成，然后沿奥氏体的一定晶向呈片
状长大。因温度较低，碳原子的扩散能力
更小，只能在铁素体内沿一定的晶面以细
碳化物粒子的形式析出，并与铁素体叶片
的长轴成 55° ～ 60° 。这种组织称下贝氏体
(B下 )，在光学显微镜下呈暗黑色针叶状，
如图 5-9、图 5-10所示
? 贝氏体的力学性能完全取决于显微组织结
构和形态。上贝氏体中铁素体较宽，塑性
变形抗力较低。同时渗碳体分布在铁素体
之间，容易引起脆断，在工业生产上应用
价值较低。下贝氏体组织中的片状铁素体
细小，碳的过饱和度大，位错密度高。而
且碳化物沉淀在铁素体内弥散分布，因此
硬度高、韧性好，具有较好的综合力学性
能。共析钢下贝氏体硬度为
45～ 55HRC，生产中常采用等温淬火的方法
获得下贝氏体组织。
? ③ 马氏体转变 钢从奥氏体状态快速冷却到
Ms温度以下，则发生马氏体转变。由于温
度很低，碳来不及扩散，全部保留在 α-Fe中，
形成碳在 α-Fe中过饱和的固溶体，即马氏体
(M)
? 此转变属非扩散型转变
? Ms,Mf分别为马氏体转变的开始点和终止
点。过冷奥氏体快速冷却至 Ms(230℃ )则开
始发生马氏体转变，直至 Mf(-50℃ )转变结
束。如仅冷却到室温，仍有一部分奥氏体
未转变而被保留下来。通常将奥氏体在冷
却过程中发生相变后，在环境温度下残存
的奥氏体叫做残余奥氏体，因此马氏体转
变量主要取决于 Mf线。奥氏体中的含碳量
越高,Mf点越低，转变后的残余奥氏体量
也就越多，如图 5-11所示。
? 马氏体的显微组织形态主要有板条状和片状两种
? 含碳量小于 0.2％时，马氏体呈板条状，如图 5-12
所示
? 含碳量大于 1.0％时，马氏体呈片状或针叶状，如
图 5-13所示
? 含碳量介于 0.2％～ 1.0％的马氏体，则是由板条状
马氏体和片状马氏体混合组成，且随着奥氏体含
碳量的增加，板条状马氏体数量不断减少，而片
状马氏体逐渐增多
? 板条状马氏体和片状马氏体性能比较见表 2-1-2。
? 表 2-1-2板条状马氏体和片状马氏体的性能
马氏体类型 σb/MPa σ0.2/MPa HRC δ/% α?/J?cm-
2
板条状马氏体
(含碳量 0.2%) 1500 1300 50 9 60
片状马氏体
(含碳量 1%)
2300 2000 66 1 10
? 马氏体的硬度主要与
其含碳量有密切的关
系。
? 如图 5-14所示，随着
含碳量的增加，马氏体的 硬度增加，尤其
在含碳量较低的情况
下，硬度增加较明显，
但当含碳量超过 0.6%
时硬度不再继续增高，
这一现象是由于奥氏
体中含碳量增加，导
致淬火后的残余奥氏
体的量增加而总的硬
度下降之故。
? 马氏体的塑性和韧性也和含碳量有关。因高碳马
氏体晶格的畸变增大，淬火应力也较大，往往存
在许多内部显微裂纹，所以塑性和韧性都很差。
低碳板条状马氏体中碳的过饱和度较小，淬火内
应力较低，一般不存在显微裂纹，同时板条状马
氏体中的高密度位错是不均匀分布的，存在低密
度区，为位错运动提供了活动余地，所以板条状
马氏体具有较好的塑性和韧性。在生产上利用低
碳马氏体的优点，常采用低碳钢淬火和低温回火
工艺获得性能优良的回火马氏体，这样不仅降低
了成本，而且得到了良好的综合力学性能。
(3)影响 C曲线的因素
? 含碳量的影响
? 含碳量对 C曲线的形状和位置有很大的影响。随着
奥氏体中含碳量的增加，其过冷奥氏体稳定性增加,C曲线的位置右移。应当指出，在常热处理加
热条件下，对过共析钢规定淬火加热温度为 Ac1以
上 30~50℃,虽然钢中的含碳量增大，但奥氏体中
的含碳量并不增高，而未溶渗碳体量增多，可以作为珠光体转变的核心，促进奥氏体分解，因而 C
曲线左移。因此在通常的热处理加热条件下，对亚共析钢，碳的增加将使 C曲线右移；对过共析钢，
碳的增加将使 C曲线左移；而共析钢的过冷奥氏体
最稳定,C曲线最靠右边，如图 5-15所示。
? 亚共析钢、过共析钢的 C曲线和共析钢的 C曲
线比较，亚共析钢在奥氏体向珠光体转变之
前，有先共析铁素体析出,C曲线图上有一
条先共析铁素体线 (图 5-15a))，而过共析钢存
在一条二次渗碳体的析出线 (图 5-15c))。
? 合金元素的影响
? 除了钴以外，所有的合金元素溶入奥氏体后，都
增大其稳定性，使 C曲线右移。碳化物形成元素
含量较多时，使 C曲线的形状也发生变化，如图
2-1-16所示。必须注意，合金元素如未完全溶入
奥氏体，而以化合物 (如碳化物 )形式存在时，在
奥氏体转变过程中将起晶核作用，使过冷奥氏体
稳定性下降,C曲线左移。
? 除 Co,Al之外，溶于奥氏体中的合金元素均会不
同程度地降低马氏体转变的开始温度 Ms与马氏
体转变的终了温度 Mf，使钢淬火到室温时的残
余奥氏体量增加
? ③ 加热温度和保温时间的影响
? 随着加热温度的提高和保温时间的延长，
奥氏体的成分更加均匀，作为奥氏体转变
的晶核数量减少，同时奥氏体晶粒长大，
晶界面积减少，这些都不利于过冷奥氏体
的转变，从而提高了过冷奥氏体的稳定性，
使 C曲线右移。
? 作业,
? 4-2 4-3 4-5
? 5-3 5-6 5-7
? 8-1 8-3 8-4
? 9-7
? 10-1 10-2
? 11-1
2,过冷奥氏体连续转变曲线（ CCT图）
? 在生产实践中，奥氏体大多是在连续冷却
中转变的，这就需要测定和利用过冷奥氏
体连续转变曲线图 (又称 CCT图 )，图 5-17中
实线为共析碳钢的 CCT图。
(1)CCT图的特点
? 图中 Ps线和 Pf线分别表示
过冷奥氏体向珠光体转变
的开始线和终了线。 K线
表示过冷奥氏体向珠光体
转变中止线。凡连续冷却
曲线碰到 K线，过冷奥氏
体就不再继续发生珠光体
转变，而一直保持到 Ms温
度以下，转变为马氏体。
? 从图 5-17可看出，连续冷
却转变曲线位于等温转变
曲线右下方
? 这两种转变的不同处在于：
? ①在连续冷却转变曲线中，珠光体转变所
需的孕育期要比相应过冷度下的等温转变
略长，而且是在一定温度范围中发生的
? ②共析碳钢和过共析碳钢连续冷却时一般
不会得到贝氏体组织
(2)临界冷却速度
? 连续冷却转变时，过冷奥氏体的转变过程和转
变产物取决于冷却速度，如图 5-17所示，与 CCT曲
线相切的冷却曲线 Vk叫做淬火临界冷却速度，它
表示钢在淬火时过冷奥氏体全部发生马氏体转变
所需的最小冷却速度。 Vk值愈小，钢在淬火时愈
容易获得马氏体组织，即钢接受淬火能力愈大。
V‘k称为 TTT图的上临界冷却速度。相比之下,V’k
> Vk 。可以推断，在连续冷却时用 V'k作为临界冷
却速度去研究钢的接受淬火能力大小是不合适的
? 图 5-17表明，按不同冷却速度连续冷却时，
过冷奥氏体转变成不同的产物：
? 5.5℃ ／秒 —— 珠光体；
? 33℃ ／秒 —— 珠光体和少量马氏体；
? 138℃ ／秒 —— 马氏体和残余奥氏体。
2.2钢的热处理
? 钢的热处理 (heat treatment)，是将钢在固态下进行
加热、保温和冷却，改变其内部组织，从而获得
所需要性能的一种金属加工工艺
? 通过热处理，能有效地改善钢的组织，提高其力
学性能并延长使用寿命，是钢铁材料重要的强化
手段
? 机械工业中的钢铁制品，几乎都要进行不同的热
处理才能保证其性能和使用要求。所有的量具、
模具、刃具和轴承,70%～ 80%的汽车零件和拖拉
机零件,60%～ 70%的机床零件，都必须进行各种
专门的热处理，才能合理的加工和使用
? 钢的热处理可分为整体热处理和表面热处
理两大类
? 整体热处理包括退火正火、淬火、回火
? 表面热处理包括表面淬火和化学热处理
? 本节主要介绍整体热处理各工艺的特点、
操作及应用。钢的表面热处理各工艺的特
点、操作及应用将在下一节中讲述
2.2.1 退火和正火
? 退火与正火主要用于各种铸件、锻件、热
轧型材及焊接构件，由于处理时冷却速度
较慢，故对钢的强化作用较小，在许多情
况下不能满足使用要求。除少数性能要求
不高的零件外，一般不作为获得最终使用
性能的热处理，而主要用于改善其工艺性
能，故称为预备热处理
退火与正火的目的有以下几点：
? ① 消除残余内应力，防止工件变形、开裂
? ②改善组织，细化晶粒
? ③调整硬度，改善切削性能
? ④为最终热处理（淬火、回火）作好组织
上的准备
1.退火
? 退火是将钢加热至适当温度，保温一定时
间，然后缓慢冷却的热处理工艺
? 根据目的和要求的不同，工业上常用的退
火工艺有：
? 完全退火
? 等温退火
? 球化退火
? 去应力退火
? 均匀化退火
(1)完全退火
? 完全退火是将亚共析钢加热至 Ac3以上 30～
50℃,经保温后随炉冷却（或埋在砂中或石
灰中冷却）至 500℃ 以下在空气中冷却，以
获得接近平衡组织的热处理工艺
(2) 等温退火
? 等温退火是将钢加热至 Ac3以上 30～ 50℃,
保温后较快地冷却到 Ar1以下某一温度等温，
使奥氏体在恒温下转变成铁素体和珠光体，
然后出炉空冷的热处理工艺
? 由于转变在恒温下进行，所以组织均匀，
而且可大大缩短退火时间
? 完全退火和等温退火主要用于亚共析成分
的各种碳钢和合金钢的铸件、锻件及热轧
型材，有时也用于焊接结构
(3)球化退火
? 球化退火是将过共析钢加热至 Ac1以上 20～ 40℃,
保温适当时间后缓慢冷却，以获得在 铁素体基体
上均匀地分布着球粒状渗碳体 组织的热处理工艺
? 这种组织也称为球化体，如图 5-18所示
? (4)去应力退火
? 去应力退火是将工件加热至 Ac1，以下 100～ 200℃,
保温后缓冷的热处理工艺
? 其目的主要是消除构件（铸件、锻件、焊接件、
热轧件、冷拉件）中的残余内应力
? (5)均匀化退火
? 为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分的偏析和组
织的不均匀性，将其加热到 Ac3以上 150～ 200℃,
长时间 (10～ 15小时 )保温后缓冷的热处理工艺，称
为均匀化退火或扩散退火
? 目的是为了达到化学成分和组织均匀化，均匀化
退火后钢的晶粒粗大，因此一般还要进行完全退
火或正火
? 各种退火工艺规范见图 2-2-2
2.正火
? 正火是将工件加热至 Ac3或 Accm以上 30～
50℃,保温后出炉空冷的热处理工艺
? 正火与退火的主要区别是正火的冷却速度
稍快，所得组织比退火细，硬度和强度有
所提高
正火主要应用于以下几方面：
? ① 对于力学性能要求不高的零件，正火可
作为最终热处理
? ②低碳钢退火后硬度偏低，切削加工后表
面粗糙度高。正火后可获得合适的硬度，
改善切削性能
? ③过共析钢球化退火前进行一次正火，可
消除网状二次渗碳体,以保证球化退火时
渗碳体全部球粒化。
2.2.2 淬火
? 淬火是将钢件加热至 Ac3或 Acl以上某一温度，
保温后以适当速度冷却，获得马氏体和 (或 )
下贝氏体组织的热处理工艺
? 目的是提高钢的硬度和耐磨性
? 淬火是强化钢件最重要的热处理方法
1.钢的淬火工艺
? （ 1）淬火温度的选择
? 碳钢的淬火温度可利用 Fe-Fe3C相图来选择 (见图 5-
20所示 )。 为了防止奥氏体晶粒粗化，一般淬火
温度不宜太高，只允许超出临界点 30～ 50℃
? 对于亚共析碳钢，适宜的淬火温度一般为
Ac3+30～ 50℃,这样可获得均匀细小的马氏体组
织。如果淬火温度过高，则将获得粗大马氏体组
织，同时引起钢件较严重的变形。如果淬火温度
过低，则在淬火组织中将出现铁素体，造成钢的
硬度不足，强度不高
? 对于过共析碳钢，适宜的淬火温度一般为
Ac1+30～ 50℃,这样可获得均匀细小马氏体和粒
状渗碳体的混合组织。如果淬火温度过高，则将
获得粗片状马氏体组织，同时引起较严重变形，
淬火开裂倾向增大；还由于渗碳体溶解过多，淬
火后钢中残余奥氏体量增多，降低钢的硬度和耐
磨性。如果淬火温度过低，则可能得到非马氏体
组织，钢的硬度达不到要求
? 对于合金钢，因为大多数合金元素阻碍奥氏体晶
粒长大 (Mn,P除外 )，所以淬火温度允许比碳钢稍
微提高一些，这样可使合金元素充分溶解和均匀
化，以便取得较好淬火效果。
2）淬火冷却介质
? 淬火时为了得到马氏体组织，冷却速度必
须大于淬火临界冷却速度 VK。但快冷又不
可避免地造成很大的内应力，引起工件变
形与开裂
? 因此，理想的
淬火冷却介质
应具有图 5-21
所示的冷却曲
线。即只在 C
曲线鼻部附近
快速冷却，而
在淬火温度到
650℃ 之间以及
Ms点以下以较
慢的速度冷却
? 但实际生产中还没有找到一种淬火介质能符
合这一理想淬火冷却速度
? 常用的淬火冷却介质是水、盐水和油
? 水的冷却能力很强，而加入 5％～ 10％ NaCl的盐水，
其冷却能力更强。尤其在 650～ 550℃ 的范围内冷却
速度非常快，大于 600℃ ／ s。但在 300～ 200℃ 的温
度范围，冷却能力仍很强，这将导致工件变形，
甚至开裂。因而主要用于淬透性较小的碳钢零件。
? 淬火油几乎都是矿物油。其优点是在 300～ 200℃ 的
范围内冷却能力低，有利于减小变形和开裂，缺
点是在 650～ 550℃ 范围冷却能力远低于水，所以不
宜用于碳钢，通常只用作合金钢的淬火介质
? 为减少工模具淬火时的变形，工业上常用熔融盐
浴或碱浴作为冷却介质来进行分级淬火或等温淬
火
（ 3）淬火方法
? 为保证淬火时既能得到马氏体组织，又能减小变
形，避免开裂，一方面可选用合适的淬火介质，
另一方面可通过采用不同的淬火方法加以解决
? 工业上常用的淬火方法有以下几种：
? 单液淬火法
? 双液淬火法
? 分级淬火法
? 等温淬火法
? 局部淬火法
? 冷处理
① 单液淬火法
? 它是将加热的工件放入一种淬火介质中连
续冷却至室温的操作方法
? 例如：碳钢在水中淬火，合金钢在油中淬
火等均属单液淬火法 (图 2-2-5中曲线 1所示 )。
这种方法操作简单，容易实现机械化自动
化。但在连续冷却至室温的过程中，水淬
容易产生变形和裂纹，油淬容易产生硬度
不足或硬度不均匀等现象。
② 双液淬火法
? 对于形状复杂的碳钢件，为了防止在低温
范围内马氏体相变时发生裂纹，可在水中
淬冷至接近 Ms温度时从水中取出立即转到
油中冷却，如图 5-22中曲线 2所示，这就是
双液淬火法，也常叫水淬油冷法
? 这种淬火方法如能恰当地掌握好在水中的
停留时间，即可有效地防止裂纹的产生
③ 分级淬火法
? 钢件加热保温后，迅速放入温度稍高于 Ms
点的恒温盐浴或碱浴中，保温一定时间，
待钢件表面与心部温度均匀一致后取出空
冷，以获得马氏体组织的淬火工艺，如图 5-
22中曲线 3所示
? 这种淬火方法能有效地减小变形和开裂倾
向。但由于盐浴或碱浴的冷却能力较弱，
故只适用于尺寸较小、淬透性较好的工件
④ 等温淬火法
? 钢件加热保温后，迅速放入温度稍高于 Ms点的盐
浴或碱浴中，保温足够时间，使奥氏体转变成下
贝氏体后取出空冷，图 5-22中曲线 4所示
? 等温淬火可大大降低钢件的内应力，下贝氏体又
具有较高的强度、硬度和塑、韧性，综合性能优
于马氏体
? 适用于尺寸较小、形状复杂，要求变形小，且强、
韧性都较高的工件，如弹簧、工模具等
? 等温淬火后一般不必回火
? ⑤ 局部淬火法
? 有些工件按其工作条件如果只是局部要求高硬度，
则可进行局部加热淬火的方法，以避免工件其它
部分产生变形和裂纹
? ⑥冷处理
? 为了尽量减少钢中残余奥氏体以获得最大数量的
马氏体，可进行冷处理，即把淬冷至室温的钢继
续冷却到 -70～ -80℃ (也可冷到更低的温度 )，保持
一段时间，使残余奥氏体在继续冷却过程中转变
为马氏体
? 这样可提高钢的硬度和耐磨性，并稳定钢件的尺
寸
(4)钢的淬透性和淬硬性
? 1) 淬透性
? 在规定条件下，决定钢材淬硬层深度和硬
度分布的特性称为淬透性
? 一般规定，钢的表面至内部马氏体组织占 50
％处的距离称为淬硬层深度
? 淬硬层越深，淬透性就越好。如果淬硬层
深度达到心部，则表明该工件全部淬透。
? 钢的淬透性主要取决于钢的临界冷却速度 Vk。临
界冷却速度越小，过冷奥氏体越稳定，钢的淬透
性也就越好
? 合金元素是影响淬透性的主要因素。除 Co和大于
2.5％的 Al以外，大多数合金元素溶入奥氏体都使 C
曲线右移，降低临界冷却速度，因而使钢的淬透
性显著提高
? 此外，提高奥氏体化温度，将使奥氏体晶粒长大，
成分均匀，奥氏体稳定，使钢的临界冷却速度减
小，改善钢的淬透性
? 在实际生产中，工件淬火后的淬硬层深度除取决
于淬透性外，还与零件尺寸及冷却介质有关
? 2) 淬硬性
? 钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的
最高硬度的能力称为淬硬性
? 它主要取决于马氏体中的含碳量，合金元
素对淬硬性影响不大
(5)钢的淬火变形与开裂
? 1) 热应力与相变应力（组织应力）
? 工件淬火后出现变形与开裂是由内应力引起的。
内应力分为热应力与相变应力
? 工件在加热或冷却时，由于不同部位存在着温度
差而导致热胀或冷缩不一致所引起的应力称为热应力
? 淬火工件在加热时，铁素体和渗碳体转变为奥氏
体，冷却时又由奥氏体转变为马氏体。由于不同
组织的比容不同，故加热冷却过程中必然要发生
体积变化。热处理过程中由于工件表面与心部的
温差使各部位组织转变不同时进行而产生的应力称为相变应力
? 淬火冷却时，工件中的内应力超过材料的屈服点，
就可能产生塑性变形，如内应力大于材料的抗拉
强度，则工件将发生开裂。
? 2) 减小淬火变形、开裂的措施
? 对于形状复杂的零件，应选用淬透性好的合金钢，以便
能在缓和的淬火介质中冷却
? 工件的几何形状应尽量做到厚薄均匀，截面对称，使工
件淬火时各部分能均匀冷却
? 高合金钢锻造时尽可能改善碳化物分布，高碳及高碳合
金钢采用球化退火有利于减小淬火变形
? 适当降低淬火温度、采用分级淬火或等温淬火都能有效
地减小淬火变形
2.2.3 回火
? 将淬火后的钢件加热至 Ac1以下某一温度，保温一
定时间，然后冷至室温的热处理工艺称为回火
? 钢件淬火后必须进行回火，其主要目的是：
? 减少或消除淬火应力，减小变形，防止开裂
? 通过采用不同温度的回火来调整硬度，减小脆性，获
得所需的塑性和韧性
? 稳定工件的组织和尺寸，避免其在使用过程中发生变
化
(1)淬火钢回火时的组织转变
? 随回火温度的升高，淬火钢的组织发生以
下几个阶段的变化：
? 1) 马氏体的分解
? 在 100～ 200℃ 回火时，马氏体开始分解。马
氏体中的碳以 ε碳化物 (Fe2.4C)的形式析出，
使过饱和程度略有减小，这种组织称为回
火马氏体 (M回 )。因碳化物极细小，且与母
体保持共格，故硬度略有下降。
? 2) 残余奥氏体的转变
? 在 200～ 300℃ 回火时，马氏体继续分解，同时残余
奥氏体也向下贝氏体转变。此阶段的组织大部分仍
然是回火马氏体，硬度有所下降
? 3) 回火托氏体的形成
? 在 300～ 400℃ 回火时，马氏体分解结束，过饱和固
溶体转变为铁素体。同时非稳定的 ε碳化物也逐渐
转变为稳定的渗碳体，从而形成在铁素体的基体上
分布着细颗粒状渗碳体的混合物，这种组织称为回
火托氏体 (T回 )，此阶段硬度继续下降
? 4) 渗碳体的聚集长大
? 回火温度在 400℃ 以上
时，渗碳体逐渐聚集
长大，形成较大的粒
状渗碳体，这种组织称为回火索氏体 (S回 )，
与回火托氏体相比，
其渗碳体颗粒较粗大。
随回火温度进一步升
高，渗碳体迅速长大，
而且铁素体开始发生
再结晶，由针状形态变成等轴多边形。
(2)回火的种类及应用
? 根据零件对性能的不同要求，按其回火温
度范围，可将回火分为以下几类：
? 1) 低温回火 (150～ 250℃ )
? 回火后的组织为回火马氏体，基本上保持
了淬火后的高硬度 (一般为 58～ 64HRC)和高
耐磨性，主要目的是为了降低淬火应力
? 一般用于有耐磨性要求的零件，如刃具、
工模具、滚动轴承、渗碳零件等
? 2) 中温回火 (350～ 500℃ )
? 回火后的组织为回火托氏体，其硬度一般为 35～
45HRC，具有较高的弹性极限和屈服点。因而主
要用于有较高弹性、韧性要求的零件，如各种弹簧
? 3) 高温回火 (500～ 650℃ )
? 回火后的组织为回火索氏体，这种组织既有较高
的强度，又具有一定的塑性、韧性，其综合力学性能优良
? 工业上通常将淬火与高温回火相结合的热处理称
为 调质处理,它广泛应用于各种重要的结构零件，
特别是在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及
轴类等。也可用于量具、模具等精密零件的预备
热处理。硬度一般为 200～ 350HBS
5.3 钢的表面强化处理
? 在冲击、交变和摩擦等动载荷条件下工作
的机械零件，如齿轮、曲轴，凸轮轴、活
塞销等汽车、拖拉机和机床零件，要求表
面具有高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强
度，而心部则要有足够的塑性和韧度。如
果仅从选材和普通热处理工艺来满足要求
是很困难的。而表面强化处理，则是能满
足要求的合理选择
5.3.1 钢的表面热处理
? 1,钢的表面淬火
? 表面淬火是 — 种不改变表层化学成分，只
改变表层组织的局部热处理方法。表面淬
火是通过快速加热，使钢件表层奥氏体化，
然后迅速冷却，使表层形成一定深度的淬
硬组织（马氏体），而心部仍保持原来塑
性、韧度较好的组织 (退火、正火或调质处
理组织 )的热处理工艺
? 根据加热方法的不同，表面淬火可分为,
? 感应加热表面淬火
? 火焰加热表面淬火
? 接触电阻加热表面淬火
? 电解液加热表面淬火
? 激光加热表面淬火
? 电子束加热表面淬火等
? 下面主要介绍感应加热表面淬火、火焰加热
表面淬火和激光加热表面淬火
（ 1）感应加热表面淬火
? 感应加热表面淬火，是利用电磁感应、
集肤效应、涡流和电阻热等电磁原理，
使工件表层快速加热，并快速冷却的
热处理工艺
? 感应加热表面淬火时，将工件放在铜
管制成的感应器内，当一定频率的交
流电通过感应器时，处于交变磁场中
的工件产生感应电流，由于集肤效应
和涡流的作用，工件表层的高密度交
流电产生的电阻热，迅速加热工件表
层，很快达到淬火温度，随即喷水冷
却，工件表层被淬硬。见图 5-24
? 感应加热时，工件截面上感应电流的分布状态与电流频率
有关。电流频率愈高，集肤效应愈强，感应电流集中的表
层就愈薄，这样加热层深度与淬硬层深度也就愈薄
? 因此，可通过调节电流频率来获得不同的淬硬层深度。常
用感应加热种类及应用见表 5-3
? 感应加热速度极快，只需几秒或十几秒。淬火层马氏体组
织细小，机械性能好。工件表面不易氧化脱碳，变形也小，
而且淬硬层深度易控制，质量稳定，操作简单，特别适合
大批量生产
? 常用于中碳钢或中碳低合金钢工件，例如 45,40Cr、
40MnB等。也可用于高碳工具钢或铸铁件，一般零件淬硬
层深度约为半径的 1／ 10时，即可得到强度、耐疲劳性和韧
性的良好配合。感应加热表面淬火不宜用于形状复杂的工
件，因感应器制作困难
? 表 5-3 感应加热种类及应用范围
感应加热
类型
常用频率 一般淬硬层深
度／ mm
应 用 范 围
高频感应
加热
200～
1000kHz
0.5～ 2.5 中小模数齿轮及中小
尺寸的轴类零件
中频感应
加热
2500～
8000Hz
2～ 10 较大尺寸的轴和大中
模数齿轮
工频感应
加热 50Hz 10～ 20
较大直径零件穿透加
热，大直径零件如轧
辊、火车车轮的表面
淬火
超音频感
应加热
30～
36kHz
淬硬层能沿工
件轮廓分布
中小模数齿轮
（ 2）火焰加热表面热处理
? 火焰加热表面淬火是应用氧一乙炔 (或其它可燃气 )
火焰，对零件表面进行加热，随之淬火冷却的工
艺
? 这种方法和其它表面加热淬火法比较，其优点是
设备简单、成本低，但生产率低，质量较难控制
? 火焰加热表面淬火淬硬层深度一般为 2～ 6mm，通
常用于中碳钢、中碳合金钢和铸铁的大型零件，
进行单件、小批量生产或局部修复加工，例如大
型齿轮、轴、轧辊等的表面淬火
（ 3）激光加热表面淬火
? 激光加热表面淬火是一种新型的表面强化方法。它利用激
光来扫描工件表面，使工件表面迅速加热至钢的临界点以
上，当激光束离开工件表面时，由工件自身大量吸热使表
面迅速冷却而淬火，因此不需要冷却介质
? 用于热处理的激光发生器一般为 CO2气体激光器，最大输
出功率大于 1000W
? 在激光淬火工艺中对淬火表面必须预先施加吸光涂层，该
涂层由金属氧化物、暗色的化学膜 (如磷酸盐 )或黑色材料
(如碳黑 )组成。通过控制激光入射功率密度 (103～ l05W／
cm2)、照射时间及照射方式，即可达到不同淬硬层深度、
硬度、组织及其它性能要求
? 激光硬化区组织基本上为细马氏体。铸铁的
激光硬化区组织为细马氏体加未溶石墨。淬
硬层深度一般为 0.3～ 0.5mm，硬度比常规淬
火的相同含碳量的钢材硬度高 10％左右。表
面具有残余压应力，耐磨性、耐疲劳性一般
均优于常规热处理
? 激光加热表面淬火后零件变形极小，表面质
量很高，特别适用于拐角、沟槽、盲孔底部
及深孔内壁的热处理。工件经激光表面淬火
后，一般不再进行其他加工就可以直接使用
2,钢的化学热处理
? 化学热处理是将钢件置于活性介质中加热
并保温，使介质分解析出的活性原子渗入
工件表层，改变表层的化学成分、组织和
性能的热处理工艺
? 化学热处理的目的是提高工件表面的硬度、
耐磨性、疲劳强度、耐热性、耐蚀性和抗
氧化性能等
? 常用的化学热处理有 渗碳、渗氮、碳氮共
渗和渗金属等
(1)渗碳
? 渗碳是将工件置于渗碳介质中加热并保温，使介质分解析
出活性碳原子渗人工件表层的化学热处理工艺
? 渗碳适用于承受冲击载荷和强烈摩擦的低碳钢或低碳合金
钢工件，如汽车和拖拉机的齿轮、凸轮、活塞销、摩擦片
等零件
? 渗碳层深度一般为 0.5～ 2mm，渗碳层的碳含量可达到 0.8
％～ 1.1％。渗碳后应进行淬火和回火处理，才能有效地发
挥渗碳的作用
? 按渗碳所用的渗碳剂不同，可分为气体渗碳、固体渗碳和
液体渗碳三类
? 生产中常用的渗碳方法主要为气体渗碳
? 气体渗碳，是将工件置于密闭的加热炉中（如井
式气体渗碳炉），通入煤气、天然气等渗碳气体
介质 (或滴入煤油、丙酮等易于气化分解的液体介
质 )，加热到 900～ 950℃ 的渗碳温度后保温，工件
在高温渗碳气氛中进行渗碳的热处理工艺
? 气体渗碳的关键过程是渗碳剂在高温下分解析出
活性碳原子 [C]，依靠工件表层与内部的碳浓度差，
不断地从表面向内部扩散而形成渗碳层。活性碳
原子生成的反应为：
? 2CO→CO2+[C] ； CH4→2H2+[C] ；
CO+H2→H2O+[C]
? 气体渗碳的渗层厚度与渗碳时间有关，在
温度 900～ 950℃ 下每保温 1小时，渗入厚度
约增加 0.2～ 0.3mm。低碳钢渗碳缓冷后的显
微组织表层为珠光体和二次渗碳体，心部
为原始的亚共析钢组织，中间为过渡组织。
一般规定，从表面到过渡层的 1/2处称为渗
碳层厚度
? 气体渗碳的渗碳层质量好，渗碳过程易控
制，生产率高，劳动条件较好，易于实现
机械化和自动化。但设备成本高，维护调
试要求较高，故不适宜单件和小批量生产
（ 2）渗氮
? 渗氮又称氮化，是将工件置于含氮介质中
加热至 500～ 560℃,使介质中分解析出的活
性氮原子渗人工件表层的化学热处理工艺
? 渗氮层深度 — 般为 0.6～ 0.7mm
? 渗氮广泛应用于承受冲击、交变载荷和强
烈摩擦的中碳合金结构钢重要精密零件，
如精密机床丝杆、镗床主轴、高速柴油机
曲轴、汽轮机的阀门、阀杆等
? 为了有利于渗氮过程中在工件表面形成颗
粒细小，分布均匀，硬度极高且非常稳定
的氮化物，氮化用钢通常是含有 Al,Cr、
Mo等元素的合金钢，最典型的氮化钢是
38CrMoAl，氮化硬度可达 1000HV以上。
? 工件渗氮后，表面即具有很高的硬度及耐
磨性，不必再进行热处理。但由于渗氮层
很薄，且较脆，因此要求心部具有良好的
综合力学性能，故渗氮前应进行调质处理，
以获得回火索氏体组织
? 1)气体渗氮
? 将工件置于井式炉中加热至 550～ 570℃,并通入
氨气，氨气受热分解生成活性氮原子
（ 2NH3→3H2+2[N] ），渗入工件表面。渗氮保
温时间一般为 20～ 50h，氮化层厚度 0.2～ 0.6mm
? 2) 离子氮化
? 将工件置于离子氮化炉内，抽出炉内空气，待真
空度达 1.33Pa后通入氨气，炉压升至 70Pa时接通
电源，在阴极 (工件 )和阳极间施加 400～ 700V的直
流电压，使炉内气体放电，迫使电离后的氮离子
高速轰击工件表面，并渗入工件表层形成氮化层。
其最大优点是氮化时间短，仅为气体氮化的 1/3
左右，且渗层质量好
（ 3）碳氮共渗
? 碳氮共渗是将碳和氮原子都渗入工件表层的一种
化学热处理工艺
? 碳氮共渗的方法有液体碳氮共渗和气体碳氮共渗
两种，目前主要使用的是气体碳氮共渗
? 气体碳氮共渗又分为高温 (820～ 880℃ )以渗碳为主
的气体碳氮共渗，和低温 (560～ 580℃ )以渗氮为主
的气体氮碳共渗两类
? 常用的共渗介质是尿素、甲酰胺和三乙醇胺
? 气体碳氮共渗的共渗层比渗碳层硬度高，
耐磨性、抗蚀性和疲劳强度更好；比渗氮
层深度大，表面脆性小而抗压强度高；共
渗速度快，生产率高，变形开裂倾向小
? 应用于自行车、缝纫机、仪表零件，齿轮、
轴类等机床、汽车的小型零件，以及模具、
量具和刃具的表面处理
5.3.2 钢的表面形变强化
? 钢的表面形变强化主要用于提高钢的表面
性能，已成为提高钢的疲劳强度，延长使
用寿命的重要工艺措施。目前常用的有喷
丸，滚压和内孔挤压等表面形变强化工艺
1,喷丸
? 喷丸是利用高速弹丸流强烈喷射工件表面，从而
产生表面形变强化的工艺
? 弹丸流使工件表面层产生强烈的冷塑性变形，形
成极高密度的位错 (ρ> 1× 1012／ cm2)，使亚晶粒
极大地细化，并形成较高的宏观残余压应力，因
而提高工件的抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能
? 例：将 1Crl3不锈钢采用喷丸强化处理后，将试样
加载产生 420MPa的拉应力，并放入 150℃ 的饱和水
蒸汽中作应力腐蚀试验。 结果未喷丸的在一周内
断裂，而喷丸后的试样到 8周后才断裂。
? 常用的喷丸有铸铁弹丸 (含 2.75％～ 3.60％ C，
58～ 65HRC，经退火提高韧性，硬度降低为
30～ 57HRC,弹丸直径 d=Φ0.2～ 1.5mm)，钢
弹丸 (含 0.7％ C的弹簧钢或不锈钢,45～
50HRC,d=Φ0.4～ 1.2mm)和玻璃弹丸 (46～ 50
HRC,d=Φ0.05～ 0.4mm)
? 喷丸设备可采用机械离心式喷丸机或气动式
喷丸机
2,滚压
? 滚压强化适用于外圆柱面，锥面，平面，齿面，
螺纹，圆角，沟槽及其它特殊形状的表面，滚压
加工属于少无切削加工，能较容易地压平工件表
面的粗糙度凸峰，使表面粗糙度 Ra达到 0.4～ 0.1μm，
同时不切断金属纤维，增加滚压层的位错密度，
形成有利的残余压应力，提高工件的耐磨性和疲
劳强度
? 例如，滚压螺纹比车削螺纹提高生产率 10～ 30倍，
抗拉强度提高 20%～ 30%，疲劳强度提高 50%
谢谢大家 !
? 改善金属材料的性能，主要可以通过如下几种途径：
? 合金化 即加入合金元素，调整材料的化学成分。可显著
提高钢的强度、硬度和韧性，并使其具有耐蚀、耐热等特
殊性能
? 热处理 即金属材料通过不同的加热、保温和冷却的方式，
使其内部的组织结构发生变化，以达到改善加工工艺性能
和强化力学性能的目的
? 细晶强化 即通过增加过冷度和变质处理细化晶粒，使金
属材料的强度、硬度和塑、韧性都得到提高。
? 冷变形强化 即对金属材料进行冷塑性变形，改变其组织、
结构，使强度、硬度提高，而塑性、韧性下降
? 本章主要介绍钢的热处理、钢的表面强化处理、铸铁的改性处理等有关内容
5.1金属材料的改性处理理论基础
? 5.1.1钢在加热时的组织转变
? Fe-Fe3C相图中,PSK,GS,ES三条线是钢的固
态平衡临界温度线，分别以 A1,A3,Acm表示
? 但在实际加热时，相变临界温度都会有所提高。
为区别于平衡临界温度，分别以 Ac1,Ac3、
Accm表示
? 实际冷却时，相变临界温度又都比平衡时的临
界温度有所降低，分别以 Ar1,Ar3,Arcm表示
? 图 5-1为这些临界
温度线在 Fe-Fe3C
相图上的位置示
意图。上述的实
际临界温度并不
是固定的，它们
受到含碳量、合
金元素含量、奥
氏体化温度、加
热和冷却速度等
因素的影响而变
化
1.奥氏体的形成
? 以共析碳钢为例，常温组织为珠光体，当温度加热到 Acl以上时，必将发生奥氏体转变，其转变也
是由形核和核长大两个基本过程完成的。此时珠
光体很不稳定，铁素体和渗碳体的界面在成分和
结构上处于有利于转变的条件，首先在这里形成
奥氏体晶核，随即建立奥氏体与铁素体以及奥氏
体与渗碳体之间的平衡，依靠铁、碳原子的扩散，
使邻近的铁素体晶格改组为面心立方晶格的奥氏
体。同时，邻近的渗碳体不断溶入奥氏体，一直
进行到铁素体全部转变为奥氏体，这样各个奥氏
体的晶核均得到了长大，直到各个位向不同的奥氏体晶粒接触为止。
? 由于渗碳体的晶体结构和含碳量都与奥氏体
的差别很大，故铁素体向奥氏体的转变速度
要比渗碳体向奥氏体的溶解快得多。渗碳体
完全溶解后，奥氏体中碳浓度的分布是不均
匀的，原来是渗碳体的地方碳浓度较高，原
先是铁素体的地方碳浓度较低，必须继续保
温，通过碳的扩散获得均匀的奥氏体。
? 上述奥氏体的形成过程可以看成由奥氏体形
核、晶核的长大、残留渗碳体的溶解和奥氏
体的均匀化四个阶段组成，图 2-1-2示意说明
了转变的整个过程。
? 亚共析钢和过共析钢的完全奥氏体化过程
与共析钢基本相似。亚共析钢加热到 Ac1以
上时，组织中的珠光体先转变为奥氏体，
而组织中的铁素体只有在加热到 Ac3以上时
才能全部转变为奥氏体。同样，过共析钢
只有加热到 Accm以上时才能得到均匀的单
相奥氏体组织。
2,奥氏体晶粒大小及影响因素
? 钢的奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却后
所得的组织和性能。奥氏体的晶粒越细，
冷却后的组织也越细，其强度、塑性和韧
性愈好。因此在用材和热处理工艺上，如
何获得细的奥氏体晶粒，对工件最终的性
能和质量具有重要意义
(1) 奥氏体晶粒度
? 晶粒度是表示晶粒大小的一种指标，奥氏
体晶粒度有三种不同的概念
? 起始晶粒度 是指珠光体刚刚全部转变成奥
氏体时其晶粒的大小
? 实际晶粒度 是指钢在某个具体热处理或热
加工条件下所获得的奥氏体晶粒的大小
? 本质晶粒度 表示钢在规定条件下奥氏体晶
粒的长大倾向
? 根据奥氏体晶粒在加热时长大的倾向性不
同，将钢分为两类
? 一类是晶粒长大倾向小的钢，称本质细晶粒钢
? 另一类是晶粒长大倾向大的，称本质粗晶粒钢
? 据冶金部标准规定，本质晶粒度是将钢加
热到 930± 10℃,保温 3～ 8小时冷却后，在
显微镜下放大 100倍测定的奥氏体晶粒的大
小
? 本质细晶粒钢在加热到临界点 Ac1以上直到
930℃ 晶粒并无明显长大，超过此温度后,由
于阻止晶粒长大的氧化铝等不熔质点消失，
晶粒随即迅速长大
? 本质粗晶粒钢，由于没有氧化物等阻止晶
粒长大的因素，加热到临界点 Acl以上，晶
粒开始不断长大
? 在工业生产中，一般经铝脱氧的钢大多是本质细
晶粒钢，而只用锰硅脱氧的钢为本质粗晶粒钢；
沸腾钢一般都为本质粗晶粒钢，而镇静钢一般为
本质细晶粒钢。需经热处理的工件一般都采用本
质细晶粒钢。
? 为了评定奥氏体晶粒的大小，制定了奥氏体晶粒
等级标准，如图 5-3所示。一般结构钢的奥氏体晶
粒度分为 8级,1级最粗,8级最细，一般认为 1～ 4
级为粗晶粒,5～ 8级为细晶粒。
（ 2）影响奥氏体晶粒度的因素
? 加热温度和保温时间
? 随着奥氏体晶粒长大，晶界总面积减少而
系统的能量降低。所以在高温下奥氏体晶
粒长大是一个自发过程。奥氏体化温度越
高，晶粒长大越明显。在一定温度下，保
温时间越长越有利于晶界总面积减少而导
致晶粒粗化
? 钢的成分
? 奥氏体中含碳量增加时，奥氏体晶粒的长大倾向
也增大，碳是一个促使钢的奥氏体晶粒长大的元
素。如果碳以未溶碳化物的形式存在，则具有阻
碍晶粒长大的作用
? 钢中加入能形成稳定碳化物的元素 (如 Ti,V,Nb、
Zr等 )，能生成氧化物和氮化物的元素 (如 A1)，都
会不同程度地阻碍奥氏体晶粒长大。因为这些碳
化物、氧化物和氮化物弥散分布在晶界上，起到
了阻碍晶粒长大作用。
? Mn和 P是促进奥氏体晶粒长大的元素，在热处理
加热温度的选择和温度控制中必须小心谨慎，以
免晶粒长大而导致工件性能下降
5.1.2 钢在冷却时的组织转变
? 钢加热奥氏体化后，再进行冷却，奥氏体
将发生变化。因冷却条件不同，转变产物
的组织结构也不同，性能也会有显著的差
异。所以，冷却过程是热处理的关键工序，
决定着钢在热处理后的组织和性能。
? 热处理的冷却方式可分
为两种：
? — 种是将奥氏体迅速冷
至 Ar1以下某个温度，
等温停留一段时间，再
继续冷却，通常称之为
,等温冷却,,见图 2-
1-4中曲线 1
? 另一种是将奥氏体以一
定的速度冷却，如水冷、
油冷、空冷、炉冷等，
称为, 连续冷却,,见
图 2-1-4中曲线 2
? 钢在高温时形成的奥氏体，过冷至 Ar1以下，
成为热力学上不稳定状态的过冷奥氏体。
现以共析钢为例，讨论过冷奥氏体在不同
冷却条件下的转变形式及其转变产物的组
织和性能。
1.过冷奥氏体等温转变曲线 (C曲线 )
? (1)过冷奥氏体等温转变曲线 (TTT图 )的建立
? 共析碳钢的等温转变曲线通常采用金相法配
合测量硬度的方法建立，有时需用磁性法和
膨胀法给予补充和校核。
? 如图 5-5所示。将一系列共析碳钢薄片试样加热到
奥氏体化后，分别迅速投入 Ac1以下不同温度的等
温槽中，使之在等温条件下进行转变，每隔一定
时间取出一块，立即在水中冷却，对各试样进行
金相观察，并测定硬度，由此得出在不同温度、
不同恒温时间下奥氏体的转变量。并分别测定出
过冷奥氏体的转变开始和转变终了时间，将所得
结果标注在温度与时间的坐标系中，再将意义相
同的点连接起来，即可得 TTT图
? 因曲线形状如字母, C”，故又称为 C曲线。图 5-6
为完整的共析钢 C曲线，图中标出了过冷奥氏体在
各温度范围等温所得组织和硬度。应当注意的是，
这里时间采用了对数坐标分度
(2) 过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能
? C曲线上方一条水平线为 A1线，在 A1线以上
区域奥氏体能稳定存在。在 C曲线中，左边
一条曲线为转变开始线，在 A 1线以下和转
变开始线以左为过冷奥氏体区。由纵坐标
轴到转变开始线之间的水平距离表示过冷
奥氏体等温转变前所经历的时间，称为孕
育期。
? 由 C曲线形状可知，过冷奥氏体等温转变的孕育期
随着等温温度而变化,C曲线鼻尖处的孕育期最短，
过冷奥氏体最不稳定，提高或降低等温温度，都
会使孕育期延长，过冷奥氏体稳定性增加
? C曲线中右边一条线为转变终止线，其右边的区域
为转变产物区，两条曲线之间的区域为转变过渡
区,即转变产物与过冷奥氏体共存区
? C曲线下方的两条水平线：
? Ms(230℃ )为马氏体转变的开始线
? Mf(-50℃ )为马氏体转变的结束线
? 由 C曲线图可知，奥氏体在不同的过冷度有
不同的等温转变过程，相应有不同的转变产
物，以共析钢为例，根据转变产物的不同特
点，可划分为三个转变区
? ① 珠光体类型组织转变区 过冷温度在 A1～ 550℃ 之间的转
变产物为珠光体类型组织
? 如图 2-1-5所示，首先在奥氏体晶界或缺陷密集处形成渗碳
体晶核，而后依靠周围奥氏体不断供给碳原子而长大，同
时渗碳体晶核周围的奥氏体中含碳量逐渐减少，于是 γ-Fe
晶格转变为 α-Fe晶格而成为铁素体。铁素体的溶碳能力很
低，在长大过程中将过剩的碳扩散到相邻的奥氏体中，使
其含碳量升高，又为生成新的渗碳体核晶创造条件。这样
反复进行，奥氏体就逐渐转变成渗碳体和铁素体片层相间
的珠光体组织
? 随着转变温度的下降，渗碳体形核和长大加快，因此形成
的珠光体变得越来越细，为区别起见。根据片层间距的大
小，将珠光体类组织分为 珠光体、索氏体、托氏体,其形
成温度范围、组织和性能见表 2-1-1。
?表 2-1-1 共析碳钢的三种珠光体类组织与性能
组织名称及符号 珠光体 (P) 索氏体 (S) 托氏体 (T)
形成温度范围 A1~650℃ 650~600℃ 600~550℃
片层间距 (μ m) > 0.4 0.4~0.2 < 0.2
HBS 70~230 230~320 30~400
σ b/MPa 550 870 1100
? ② 贝氏体转变区 过冷温度在 550℃ ～ Ms之间，转
变产物为贝氏体 (B)
? 贝氏体是铁素体及其分布着弥散的碳化物所形成的亚稳组织
? 奥氏体向贝氏体的转变属半扩散型转变，铁原子基本不扩散而碳原子尚有一定扩散能力
? 当转变温度在 550℃ ～ 350℃ 范围内，先在奥氏体晶
界上碳含量较低的地方生成铁素体晶核，然后向
晶粒内沿一定方向成排长大成一束大致平行的含
碳微过饱和的铁素体板条。在此温度下碳仍具有
一定的扩散能力，铁素体长大时它能扩散到铁素
体外围，并在板条的边界上分布着沿板条长轴方
向排列的碳化物短棒或小片，形成羽毛状的组织，称为上贝氏体 (B上 )，见图 5-7、图 5-8
? 当温度降到 350℃ ～ Ms之间时，铁素体晶核
首先在奥氏体晶界或晶内某些缺陷较多的
地方形成，然后沿奥氏体的一定晶向呈片
状长大。因温度较低，碳原子的扩散能力
更小，只能在铁素体内沿一定的晶面以细
碳化物粒子的形式析出，并与铁素体叶片
的长轴成 55° ～ 60° 。这种组织称下贝氏体
(B下 )，在光学显微镜下呈暗黑色针叶状，
如图 5-9、图 5-10所示
? 贝氏体的力学性能完全取决于显微组织结
构和形态。上贝氏体中铁素体较宽，塑性
变形抗力较低。同时渗碳体分布在铁素体
之间，容易引起脆断，在工业生产上应用
价值较低。下贝氏体组织中的片状铁素体
细小，碳的过饱和度大，位错密度高。而
且碳化物沉淀在铁素体内弥散分布，因此
硬度高、韧性好，具有较好的综合力学性
能。共析钢下贝氏体硬度为
45～ 55HRC，生产中常采用等温淬火的方法
获得下贝氏体组织。
? ③ 马氏体转变 钢从奥氏体状态快速冷却到
Ms温度以下，则发生马氏体转变。由于温
度很低，碳来不及扩散，全部保留在 α-Fe中，
形成碳在 α-Fe中过饱和的固溶体，即马氏体
(M)
? 此转变属非扩散型转变
? Ms,Mf分别为马氏体转变的开始点和终止
点。过冷奥氏体快速冷却至 Ms(230℃ )则开
始发生马氏体转变，直至 Mf(-50℃ )转变结
束。如仅冷却到室温，仍有一部分奥氏体
未转变而被保留下来。通常将奥氏体在冷
却过程中发生相变后，在环境温度下残存
的奥氏体叫做残余奥氏体，因此马氏体转
变量主要取决于 Mf线。奥氏体中的含碳量
越高,Mf点越低，转变后的残余奥氏体量
也就越多，如图 5-11所示。
? 马氏体的显微组织形态主要有板条状和片状两种
? 含碳量小于 0.2％时，马氏体呈板条状，如图 5-12
所示
? 含碳量大于 1.0％时，马氏体呈片状或针叶状，如
图 5-13所示
? 含碳量介于 0.2％～ 1.0％的马氏体，则是由板条状
马氏体和片状马氏体混合组成，且随着奥氏体含
碳量的增加，板条状马氏体数量不断减少，而片
状马氏体逐渐增多
? 板条状马氏体和片状马氏体性能比较见表 2-1-2。
? 表 2-1-2板条状马氏体和片状马氏体的性能
马氏体类型 σb/MPa σ0.2/MPa HRC δ/% α?/J?cm-
2
板条状马氏体
(含碳量 0.2%) 1500 1300 50 9 60
片状马氏体
(含碳量 1%)
2300 2000 66 1 10
? 马氏体的硬度主要与
其含碳量有密切的关
系。
? 如图 5-14所示，随着
含碳量的增加，马氏体的 硬度增加，尤其
在含碳量较低的情况
下，硬度增加较明显，
但当含碳量超过 0.6%
时硬度不再继续增高，
这一现象是由于奥氏
体中含碳量增加，导
致淬火后的残余奥氏
体的量增加而总的硬
度下降之故。
? 马氏体的塑性和韧性也和含碳量有关。因高碳马
氏体晶格的畸变增大，淬火应力也较大，往往存
在许多内部显微裂纹，所以塑性和韧性都很差。
低碳板条状马氏体中碳的过饱和度较小，淬火内
应力较低，一般不存在显微裂纹，同时板条状马
氏体中的高密度位错是不均匀分布的，存在低密
度区，为位错运动提供了活动余地，所以板条状
马氏体具有较好的塑性和韧性。在生产上利用低
碳马氏体的优点，常采用低碳钢淬火和低温回火
工艺获得性能优良的回火马氏体，这样不仅降低
了成本，而且得到了良好的综合力学性能。
(3)影响 C曲线的因素
? 含碳量的影响
? 含碳量对 C曲线的形状和位置有很大的影响。随着
奥氏体中含碳量的增加，其过冷奥氏体稳定性增加,C曲线的位置右移。应当指出，在常热处理加
热条件下，对过共析钢规定淬火加热温度为 Ac1以
上 30~50℃,虽然钢中的含碳量增大，但奥氏体中
的含碳量并不增高，而未溶渗碳体量增多，可以作为珠光体转变的核心，促进奥氏体分解，因而 C
曲线左移。因此在通常的热处理加热条件下，对亚共析钢，碳的增加将使 C曲线右移；对过共析钢，
碳的增加将使 C曲线左移；而共析钢的过冷奥氏体
最稳定,C曲线最靠右边，如图 5-15所示。
? 亚共析钢、过共析钢的 C曲线和共析钢的 C曲
线比较，亚共析钢在奥氏体向珠光体转变之
前，有先共析铁素体析出,C曲线图上有一
条先共析铁素体线 (图 5-15a))，而过共析钢存
在一条二次渗碳体的析出线 (图 5-15c))。
? 合金元素的影响
? 除了钴以外，所有的合金元素溶入奥氏体后，都
增大其稳定性，使 C曲线右移。碳化物形成元素
含量较多时，使 C曲线的形状也发生变化，如图
2-1-16所示。必须注意，合金元素如未完全溶入
奥氏体，而以化合物 (如碳化物 )形式存在时，在
奥氏体转变过程中将起晶核作用，使过冷奥氏体
稳定性下降,C曲线左移。
? 除 Co,Al之外，溶于奥氏体中的合金元素均会不
同程度地降低马氏体转变的开始温度 Ms与马氏
体转变的终了温度 Mf，使钢淬火到室温时的残
余奥氏体量增加
? ③ 加热温度和保温时间的影响
? 随着加热温度的提高和保温时间的延长，
奥氏体的成分更加均匀，作为奥氏体转变
的晶核数量减少，同时奥氏体晶粒长大，
晶界面积减少，这些都不利于过冷奥氏体
的转变，从而提高了过冷奥氏体的稳定性，
使 C曲线右移。
? 作业,
? 4-2 4-3 4-5
? 5-3 5-6 5-7
? 8-1 8-3 8-4
? 9-7
? 10-1 10-2
? 11-1
2,过冷奥氏体连续转变曲线（ CCT图）
? 在生产实践中，奥氏体大多是在连续冷却
中转变的，这就需要测定和利用过冷奥氏
体连续转变曲线图 (又称 CCT图 )，图 5-17中
实线为共析碳钢的 CCT图。
(1)CCT图的特点
? 图中 Ps线和 Pf线分别表示
过冷奥氏体向珠光体转变
的开始线和终了线。 K线
表示过冷奥氏体向珠光体
转变中止线。凡连续冷却
曲线碰到 K线，过冷奥氏
体就不再继续发生珠光体
转变，而一直保持到 Ms温
度以下，转变为马氏体。
? 从图 5-17可看出，连续冷
却转变曲线位于等温转变
曲线右下方
? 这两种转变的不同处在于：
? ①在连续冷却转变曲线中，珠光体转变所
需的孕育期要比相应过冷度下的等温转变
略长，而且是在一定温度范围中发生的
? ②共析碳钢和过共析碳钢连续冷却时一般
不会得到贝氏体组织
(2)临界冷却速度
? 连续冷却转变时，过冷奥氏体的转变过程和转
变产物取决于冷却速度，如图 5-17所示，与 CCT曲
线相切的冷却曲线 Vk叫做淬火临界冷却速度，它
表示钢在淬火时过冷奥氏体全部发生马氏体转变
所需的最小冷却速度。 Vk值愈小，钢在淬火时愈
容易获得马氏体组织，即钢接受淬火能力愈大。
V‘k称为 TTT图的上临界冷却速度。相比之下,V’k
> Vk 。可以推断，在连续冷却时用 V'k作为临界冷
却速度去研究钢的接受淬火能力大小是不合适的
? 图 5-17表明，按不同冷却速度连续冷却时，
过冷奥氏体转变成不同的产物：
? 5.5℃ ／秒 —— 珠光体；
? 33℃ ／秒 —— 珠光体和少量马氏体；
? 138℃ ／秒 —— 马氏体和残余奥氏体。
2.2钢的热处理
? 钢的热处理 (heat treatment)，是将钢在固态下进行
加热、保温和冷却，改变其内部组织，从而获得
所需要性能的一种金属加工工艺
? 通过热处理，能有效地改善钢的组织，提高其力
学性能并延长使用寿命，是钢铁材料重要的强化
手段
? 机械工业中的钢铁制品，几乎都要进行不同的热
处理才能保证其性能和使用要求。所有的量具、
模具、刃具和轴承,70%～ 80%的汽车零件和拖拉
机零件,60%～ 70%的机床零件，都必须进行各种
专门的热处理，才能合理的加工和使用
? 钢的热处理可分为整体热处理和表面热处
理两大类
? 整体热处理包括退火正火、淬火、回火
? 表面热处理包括表面淬火和化学热处理
? 本节主要介绍整体热处理各工艺的特点、
操作及应用。钢的表面热处理各工艺的特
点、操作及应用将在下一节中讲述
2.2.1 退火和正火
? 退火与正火主要用于各种铸件、锻件、热
轧型材及焊接构件，由于处理时冷却速度
较慢，故对钢的强化作用较小，在许多情
况下不能满足使用要求。除少数性能要求
不高的零件外，一般不作为获得最终使用
性能的热处理，而主要用于改善其工艺性
能，故称为预备热处理
退火与正火的目的有以下几点：
? ① 消除残余内应力，防止工件变形、开裂
? ②改善组织，细化晶粒
? ③调整硬度，改善切削性能
? ④为最终热处理（淬火、回火）作好组织
上的准备
1.退火
? 退火是将钢加热至适当温度，保温一定时
间，然后缓慢冷却的热处理工艺
? 根据目的和要求的不同，工业上常用的退
火工艺有：
? 完全退火
? 等温退火
? 球化退火
? 去应力退火
? 均匀化退火
(1)完全退火
? 完全退火是将亚共析钢加热至 Ac3以上 30～
50℃,经保温后随炉冷却（或埋在砂中或石
灰中冷却）至 500℃ 以下在空气中冷却，以
获得接近平衡组织的热处理工艺
(2) 等温退火
? 等温退火是将钢加热至 Ac3以上 30～ 50℃,
保温后较快地冷却到 Ar1以下某一温度等温，
使奥氏体在恒温下转变成铁素体和珠光体，
然后出炉空冷的热处理工艺
? 由于转变在恒温下进行，所以组织均匀，
而且可大大缩短退火时间
? 完全退火和等温退火主要用于亚共析成分
的各种碳钢和合金钢的铸件、锻件及热轧
型材，有时也用于焊接结构
(3)球化退火
? 球化退火是将过共析钢加热至 Ac1以上 20～ 40℃,
保温适当时间后缓慢冷却，以获得在 铁素体基体
上均匀地分布着球粒状渗碳体 组织的热处理工艺
? 这种组织也称为球化体，如图 5-18所示
? (4)去应力退火
? 去应力退火是将工件加热至 Ac1，以下 100～ 200℃,
保温后缓冷的热处理工艺
? 其目的主要是消除构件（铸件、锻件、焊接件、
热轧件、冷拉件）中的残余内应力
? (5)均匀化退火
? 为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分的偏析和组
织的不均匀性，将其加热到 Ac3以上 150～ 200℃,
长时间 (10～ 15小时 )保温后缓冷的热处理工艺，称
为均匀化退火或扩散退火
? 目的是为了达到化学成分和组织均匀化，均匀化
退火后钢的晶粒粗大，因此一般还要进行完全退
火或正火
? 各种退火工艺规范见图 2-2-2
2.正火
? 正火是将工件加热至 Ac3或 Accm以上 30～
50℃,保温后出炉空冷的热处理工艺
? 正火与退火的主要区别是正火的冷却速度
稍快，所得组织比退火细，硬度和强度有
所提高
正火主要应用于以下几方面：
? ① 对于力学性能要求不高的零件，正火可
作为最终热处理
? ②低碳钢退火后硬度偏低，切削加工后表
面粗糙度高。正火后可获得合适的硬度，
改善切削性能
? ③过共析钢球化退火前进行一次正火，可
消除网状二次渗碳体,以保证球化退火时
渗碳体全部球粒化。
2.2.2 淬火
? 淬火是将钢件加热至 Ac3或 Acl以上某一温度，
保温后以适当速度冷却，获得马氏体和 (或 )
下贝氏体组织的热处理工艺
? 目的是提高钢的硬度和耐磨性
? 淬火是强化钢件最重要的热处理方法
1.钢的淬火工艺
? （ 1）淬火温度的选择
? 碳钢的淬火温度可利用 Fe-Fe3C相图来选择 (见图 5-
20所示 )。 为了防止奥氏体晶粒粗化，一般淬火
温度不宜太高，只允许超出临界点 30～ 50℃
? 对于亚共析碳钢，适宜的淬火温度一般为
Ac3+30～ 50℃,这样可获得均匀细小的马氏体组
织。如果淬火温度过高，则将获得粗大马氏体组
织，同时引起钢件较严重的变形。如果淬火温度
过低，则在淬火组织中将出现铁素体，造成钢的
硬度不足，强度不高
? 对于过共析碳钢，适宜的淬火温度一般为
Ac1+30～ 50℃,这样可获得均匀细小马氏体和粒
状渗碳体的混合组织。如果淬火温度过高，则将
获得粗片状马氏体组织，同时引起较严重变形，
淬火开裂倾向增大；还由于渗碳体溶解过多，淬
火后钢中残余奥氏体量增多，降低钢的硬度和耐
磨性。如果淬火温度过低，则可能得到非马氏体
组织，钢的硬度达不到要求
? 对于合金钢，因为大多数合金元素阻碍奥氏体晶
粒长大 (Mn,P除外 )，所以淬火温度允许比碳钢稍
微提高一些，这样可使合金元素充分溶解和均匀
化，以便取得较好淬火效果。
2）淬火冷却介质
? 淬火时为了得到马氏体组织，冷却速度必
须大于淬火临界冷却速度 VK。但快冷又不
可避免地造成很大的内应力，引起工件变
形与开裂
? 因此，理想的
淬火冷却介质
应具有图 5-21
所示的冷却曲
线。即只在 C
曲线鼻部附近
快速冷却，而
在淬火温度到
650℃ 之间以及
Ms点以下以较
慢的速度冷却
? 但实际生产中还没有找到一种淬火介质能符
合这一理想淬火冷却速度
? 常用的淬火冷却介质是水、盐水和油
? 水的冷却能力很强，而加入 5％～ 10％ NaCl的盐水，
其冷却能力更强。尤其在 650～ 550℃ 的范围内冷却
速度非常快，大于 600℃ ／ s。但在 300～ 200℃ 的温
度范围，冷却能力仍很强，这将导致工件变形，
甚至开裂。因而主要用于淬透性较小的碳钢零件。
? 淬火油几乎都是矿物油。其优点是在 300～ 200℃ 的
范围内冷却能力低，有利于减小变形和开裂，缺
点是在 650～ 550℃ 范围冷却能力远低于水，所以不
宜用于碳钢，通常只用作合金钢的淬火介质
? 为减少工模具淬火时的变形，工业上常用熔融盐
浴或碱浴作为冷却介质来进行分级淬火或等温淬
火
（ 3）淬火方法
? 为保证淬火时既能得到马氏体组织，又能减小变
形，避免开裂，一方面可选用合适的淬火介质，
另一方面可通过采用不同的淬火方法加以解决
? 工业上常用的淬火方法有以下几种：
? 单液淬火法
? 双液淬火法
? 分级淬火法
? 等温淬火法
? 局部淬火法
? 冷处理
① 单液淬火法
? 它是将加热的工件放入一种淬火介质中连
续冷却至室温的操作方法
? 例如：碳钢在水中淬火，合金钢在油中淬
火等均属单液淬火法 (图 2-2-5中曲线 1所示 )。
这种方法操作简单，容易实现机械化自动
化。但在连续冷却至室温的过程中，水淬
容易产生变形和裂纹，油淬容易产生硬度
不足或硬度不均匀等现象。
② 双液淬火法
? 对于形状复杂的碳钢件，为了防止在低温
范围内马氏体相变时发生裂纹，可在水中
淬冷至接近 Ms温度时从水中取出立即转到
油中冷却，如图 5-22中曲线 2所示，这就是
双液淬火法，也常叫水淬油冷法
? 这种淬火方法如能恰当地掌握好在水中的
停留时间，即可有效地防止裂纹的产生
③ 分级淬火法
? 钢件加热保温后，迅速放入温度稍高于 Ms
点的恒温盐浴或碱浴中，保温一定时间，
待钢件表面与心部温度均匀一致后取出空
冷，以获得马氏体组织的淬火工艺，如图 5-
22中曲线 3所示
? 这种淬火方法能有效地减小变形和开裂倾
向。但由于盐浴或碱浴的冷却能力较弱，
故只适用于尺寸较小、淬透性较好的工件
④ 等温淬火法
? 钢件加热保温后，迅速放入温度稍高于 Ms点的盐
浴或碱浴中，保温足够时间，使奥氏体转变成下
贝氏体后取出空冷，图 5-22中曲线 4所示
? 等温淬火可大大降低钢件的内应力，下贝氏体又
具有较高的强度、硬度和塑、韧性，综合性能优
于马氏体
? 适用于尺寸较小、形状复杂，要求变形小，且强、
韧性都较高的工件，如弹簧、工模具等
? 等温淬火后一般不必回火
? ⑤ 局部淬火法
? 有些工件按其工作条件如果只是局部要求高硬度，
则可进行局部加热淬火的方法，以避免工件其它
部分产生变形和裂纹
? ⑥冷处理
? 为了尽量减少钢中残余奥氏体以获得最大数量的
马氏体，可进行冷处理，即把淬冷至室温的钢继
续冷却到 -70～ -80℃ (也可冷到更低的温度 )，保持
一段时间，使残余奥氏体在继续冷却过程中转变
为马氏体
? 这样可提高钢的硬度和耐磨性，并稳定钢件的尺
寸
(4)钢的淬透性和淬硬性
? 1) 淬透性
? 在规定条件下，决定钢材淬硬层深度和硬
度分布的特性称为淬透性
? 一般规定，钢的表面至内部马氏体组织占 50
％处的距离称为淬硬层深度
? 淬硬层越深，淬透性就越好。如果淬硬层
深度达到心部，则表明该工件全部淬透。
? 钢的淬透性主要取决于钢的临界冷却速度 Vk。临
界冷却速度越小，过冷奥氏体越稳定，钢的淬透
性也就越好
? 合金元素是影响淬透性的主要因素。除 Co和大于
2.5％的 Al以外，大多数合金元素溶入奥氏体都使 C
曲线右移，降低临界冷却速度，因而使钢的淬透
性显著提高
? 此外，提高奥氏体化温度，将使奥氏体晶粒长大，
成分均匀，奥氏体稳定，使钢的临界冷却速度减
小，改善钢的淬透性
? 在实际生产中，工件淬火后的淬硬层深度除取决
于淬透性外，还与零件尺寸及冷却介质有关
? 2) 淬硬性
? 钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的
最高硬度的能力称为淬硬性
? 它主要取决于马氏体中的含碳量，合金元
素对淬硬性影响不大
(5)钢的淬火变形与开裂
? 1) 热应力与相变应力（组织应力）
? 工件淬火后出现变形与开裂是由内应力引起的。
内应力分为热应力与相变应力
? 工件在加热或冷却时，由于不同部位存在着温度
差而导致热胀或冷缩不一致所引起的应力称为热应力
? 淬火工件在加热时，铁素体和渗碳体转变为奥氏
体，冷却时又由奥氏体转变为马氏体。由于不同
组织的比容不同，故加热冷却过程中必然要发生
体积变化。热处理过程中由于工件表面与心部的
温差使各部位组织转变不同时进行而产生的应力称为相变应力
? 淬火冷却时，工件中的内应力超过材料的屈服点，
就可能产生塑性变形，如内应力大于材料的抗拉
强度，则工件将发生开裂。
? 2) 减小淬火变形、开裂的措施
? 对于形状复杂的零件，应选用淬透性好的合金钢，以便
能在缓和的淬火介质中冷却
? 工件的几何形状应尽量做到厚薄均匀，截面对称，使工
件淬火时各部分能均匀冷却
? 高合金钢锻造时尽可能改善碳化物分布，高碳及高碳合
金钢采用球化退火有利于减小淬火变形
? 适当降低淬火温度、采用分级淬火或等温淬火都能有效
地减小淬火变形
2.2.3 回火
? 将淬火后的钢件加热至 Ac1以下某一温度，保温一
定时间，然后冷至室温的热处理工艺称为回火
? 钢件淬火后必须进行回火，其主要目的是：
? 减少或消除淬火应力，减小变形，防止开裂
? 通过采用不同温度的回火来调整硬度，减小脆性，获
得所需的塑性和韧性
? 稳定工件的组织和尺寸，避免其在使用过程中发生变
化
(1)淬火钢回火时的组织转变
? 随回火温度的升高，淬火钢的组织发生以
下几个阶段的变化：
? 1) 马氏体的分解
? 在 100～ 200℃ 回火时，马氏体开始分解。马
氏体中的碳以 ε碳化物 (Fe2.4C)的形式析出，
使过饱和程度略有减小，这种组织称为回
火马氏体 (M回 )。因碳化物极细小，且与母
体保持共格，故硬度略有下降。
? 2) 残余奥氏体的转变
? 在 200～ 300℃ 回火时，马氏体继续分解，同时残余
奥氏体也向下贝氏体转变。此阶段的组织大部分仍
然是回火马氏体，硬度有所下降
? 3) 回火托氏体的形成
? 在 300～ 400℃ 回火时，马氏体分解结束，过饱和固
溶体转变为铁素体。同时非稳定的 ε碳化物也逐渐
转变为稳定的渗碳体，从而形成在铁素体的基体上
分布着细颗粒状渗碳体的混合物，这种组织称为回
火托氏体 (T回 )，此阶段硬度继续下降
? 4) 渗碳体的聚集长大
? 回火温度在 400℃ 以上
时，渗碳体逐渐聚集
长大，形成较大的粒
状渗碳体，这种组织称为回火索氏体 (S回 )，
与回火托氏体相比，
其渗碳体颗粒较粗大。
随回火温度进一步升
高，渗碳体迅速长大，
而且铁素体开始发生
再结晶，由针状形态变成等轴多边形。
(2)回火的种类及应用
? 根据零件对性能的不同要求，按其回火温
度范围，可将回火分为以下几类：
? 1) 低温回火 (150～ 250℃ )
? 回火后的组织为回火马氏体，基本上保持
了淬火后的高硬度 (一般为 58～ 64HRC)和高
耐磨性，主要目的是为了降低淬火应力
? 一般用于有耐磨性要求的零件，如刃具、
工模具、滚动轴承、渗碳零件等
? 2) 中温回火 (350～ 500℃ )
? 回火后的组织为回火托氏体，其硬度一般为 35～
45HRC，具有较高的弹性极限和屈服点。因而主
要用于有较高弹性、韧性要求的零件，如各种弹簧
? 3) 高温回火 (500～ 650℃ )
? 回火后的组织为回火索氏体，这种组织既有较高
的强度，又具有一定的塑性、韧性，其综合力学性能优良
? 工业上通常将淬火与高温回火相结合的热处理称
为 调质处理,它广泛应用于各种重要的结构零件，
特别是在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及
轴类等。也可用于量具、模具等精密零件的预备
热处理。硬度一般为 200～ 350HBS
5.3 钢的表面强化处理
? 在冲击、交变和摩擦等动载荷条件下工作
的机械零件，如齿轮、曲轴，凸轮轴、活
塞销等汽车、拖拉机和机床零件，要求表
面具有高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强
度，而心部则要有足够的塑性和韧度。如
果仅从选材和普通热处理工艺来满足要求
是很困难的。而表面强化处理，则是能满
足要求的合理选择
5.3.1 钢的表面热处理
? 1,钢的表面淬火
? 表面淬火是 — 种不改变表层化学成分，只
改变表层组织的局部热处理方法。表面淬
火是通过快速加热，使钢件表层奥氏体化，
然后迅速冷却，使表层形成一定深度的淬
硬组织（马氏体），而心部仍保持原来塑
性、韧度较好的组织 (退火、正火或调质处
理组织 )的热处理工艺
? 根据加热方法的不同，表面淬火可分为,
? 感应加热表面淬火
? 火焰加热表面淬火
? 接触电阻加热表面淬火
? 电解液加热表面淬火
? 激光加热表面淬火
? 电子束加热表面淬火等
? 下面主要介绍感应加热表面淬火、火焰加热
表面淬火和激光加热表面淬火
（ 1）感应加热表面淬火
? 感应加热表面淬火，是利用电磁感应、
集肤效应、涡流和电阻热等电磁原理，
使工件表层快速加热，并快速冷却的
热处理工艺
? 感应加热表面淬火时，将工件放在铜
管制成的感应器内，当一定频率的交
流电通过感应器时，处于交变磁场中
的工件产生感应电流，由于集肤效应
和涡流的作用，工件表层的高密度交
流电产生的电阻热，迅速加热工件表
层，很快达到淬火温度，随即喷水冷
却，工件表层被淬硬。见图 5-24
? 感应加热时，工件截面上感应电流的分布状态与电流频率
有关。电流频率愈高，集肤效应愈强，感应电流集中的表
层就愈薄，这样加热层深度与淬硬层深度也就愈薄
? 因此，可通过调节电流频率来获得不同的淬硬层深度。常
用感应加热种类及应用见表 5-3
? 感应加热速度极快，只需几秒或十几秒。淬火层马氏体组
织细小，机械性能好。工件表面不易氧化脱碳，变形也小，
而且淬硬层深度易控制，质量稳定，操作简单，特别适合
大批量生产
? 常用于中碳钢或中碳低合金钢工件，例如 45,40Cr、
40MnB等。也可用于高碳工具钢或铸铁件，一般零件淬硬
层深度约为半径的 1／ 10时，即可得到强度、耐疲劳性和韧
性的良好配合。感应加热表面淬火不宜用于形状复杂的工
件，因感应器制作困难
? 表 5-3 感应加热种类及应用范围
感应加热
类型
常用频率 一般淬硬层深
度／ mm
应 用 范 围
高频感应
加热
200～
1000kHz
0.5～ 2.5 中小模数齿轮及中小
尺寸的轴类零件
中频感应
加热
2500～
8000Hz
2～ 10 较大尺寸的轴和大中
模数齿轮
工频感应
加热 50Hz 10～ 20
较大直径零件穿透加
热，大直径零件如轧
辊、火车车轮的表面
淬火
超音频感
应加热
30～
36kHz
淬硬层能沿工
件轮廓分布
中小模数齿轮
（ 2）火焰加热表面热处理
? 火焰加热表面淬火是应用氧一乙炔 (或其它可燃气 )
火焰，对零件表面进行加热，随之淬火冷却的工
艺
? 这种方法和其它表面加热淬火法比较，其优点是
设备简单、成本低，但生产率低，质量较难控制
? 火焰加热表面淬火淬硬层深度一般为 2～ 6mm，通
常用于中碳钢、中碳合金钢和铸铁的大型零件，
进行单件、小批量生产或局部修复加工，例如大
型齿轮、轴、轧辊等的表面淬火
（ 3）激光加热表面淬火
? 激光加热表面淬火是一种新型的表面强化方法。它利用激
光来扫描工件表面，使工件表面迅速加热至钢的临界点以
上，当激光束离开工件表面时，由工件自身大量吸热使表
面迅速冷却而淬火，因此不需要冷却介质
? 用于热处理的激光发生器一般为 CO2气体激光器，最大输
出功率大于 1000W
? 在激光淬火工艺中对淬火表面必须预先施加吸光涂层，该
涂层由金属氧化物、暗色的化学膜 (如磷酸盐 )或黑色材料
(如碳黑 )组成。通过控制激光入射功率密度 (103～ l05W／
cm2)、照射时间及照射方式，即可达到不同淬硬层深度、
硬度、组织及其它性能要求
? 激光硬化区组织基本上为细马氏体。铸铁的
激光硬化区组织为细马氏体加未溶石墨。淬
硬层深度一般为 0.3～ 0.5mm，硬度比常规淬
火的相同含碳量的钢材硬度高 10％左右。表
面具有残余压应力，耐磨性、耐疲劳性一般
均优于常规热处理
? 激光加热表面淬火后零件变形极小，表面质
量很高，特别适用于拐角、沟槽、盲孔底部
及深孔内壁的热处理。工件经激光表面淬火
后，一般不再进行其他加工就可以直接使用
2,钢的化学热处理
? 化学热处理是将钢件置于活性介质中加热
并保温，使介质分解析出的活性原子渗入
工件表层，改变表层的化学成分、组织和
性能的热处理工艺
? 化学热处理的目的是提高工件表面的硬度、
耐磨性、疲劳强度、耐热性、耐蚀性和抗
氧化性能等
? 常用的化学热处理有 渗碳、渗氮、碳氮共
渗和渗金属等
(1)渗碳
? 渗碳是将工件置于渗碳介质中加热并保温，使介质分解析
出活性碳原子渗人工件表层的化学热处理工艺
? 渗碳适用于承受冲击载荷和强烈摩擦的低碳钢或低碳合金
钢工件，如汽车和拖拉机的齿轮、凸轮、活塞销、摩擦片
等零件
? 渗碳层深度一般为 0.5～ 2mm，渗碳层的碳含量可达到 0.8
％～ 1.1％。渗碳后应进行淬火和回火处理，才能有效地发
挥渗碳的作用
? 按渗碳所用的渗碳剂不同，可分为气体渗碳、固体渗碳和
液体渗碳三类
? 生产中常用的渗碳方法主要为气体渗碳
? 气体渗碳，是将工件置于密闭的加热炉中（如井
式气体渗碳炉），通入煤气、天然气等渗碳气体
介质 (或滴入煤油、丙酮等易于气化分解的液体介
质 )，加热到 900～ 950℃ 的渗碳温度后保温，工件
在高温渗碳气氛中进行渗碳的热处理工艺
? 气体渗碳的关键过程是渗碳剂在高温下分解析出
活性碳原子 [C]，依靠工件表层与内部的碳浓度差，
不断地从表面向内部扩散而形成渗碳层。活性碳
原子生成的反应为：
? 2CO→CO2+[C] ； CH4→2H2+[C] ；
CO+H2→H2O+[C]
? 气体渗碳的渗层厚度与渗碳时间有关，在
温度 900～ 950℃ 下每保温 1小时，渗入厚度
约增加 0.2～ 0.3mm。低碳钢渗碳缓冷后的显
微组织表层为珠光体和二次渗碳体，心部
为原始的亚共析钢组织，中间为过渡组织。
一般规定，从表面到过渡层的 1/2处称为渗
碳层厚度
? 气体渗碳的渗碳层质量好，渗碳过程易控
制，生产率高，劳动条件较好，易于实现
机械化和自动化。但设备成本高，维护调
试要求较高，故不适宜单件和小批量生产
（ 2）渗氮
? 渗氮又称氮化，是将工件置于含氮介质中
加热至 500～ 560℃,使介质中分解析出的活
性氮原子渗人工件表层的化学热处理工艺
? 渗氮层深度 — 般为 0.6～ 0.7mm
? 渗氮广泛应用于承受冲击、交变载荷和强
烈摩擦的中碳合金结构钢重要精密零件，
如精密机床丝杆、镗床主轴、高速柴油机
曲轴、汽轮机的阀门、阀杆等
? 为了有利于渗氮过程中在工件表面形成颗
粒细小，分布均匀，硬度极高且非常稳定
的氮化物，氮化用钢通常是含有 Al,Cr、
Mo等元素的合金钢，最典型的氮化钢是
38CrMoAl，氮化硬度可达 1000HV以上。
? 工件渗氮后，表面即具有很高的硬度及耐
磨性，不必再进行热处理。但由于渗氮层
很薄，且较脆，因此要求心部具有良好的
综合力学性能，故渗氮前应进行调质处理，
以获得回火索氏体组织
? 1)气体渗氮
? 将工件置于井式炉中加热至 550～ 570℃,并通入
氨气，氨气受热分解生成活性氮原子
（ 2NH3→3H2+2[N] ），渗入工件表面。渗氮保
温时间一般为 20～ 50h，氮化层厚度 0.2～ 0.6mm
? 2) 离子氮化
? 将工件置于离子氮化炉内，抽出炉内空气，待真
空度达 1.33Pa后通入氨气，炉压升至 70Pa时接通
电源，在阴极 (工件 )和阳极间施加 400～ 700V的直
流电压，使炉内气体放电，迫使电离后的氮离子
高速轰击工件表面，并渗入工件表层形成氮化层。
其最大优点是氮化时间短，仅为气体氮化的 1/3
左右，且渗层质量好
（ 3）碳氮共渗
? 碳氮共渗是将碳和氮原子都渗入工件表层的一种
化学热处理工艺
? 碳氮共渗的方法有液体碳氮共渗和气体碳氮共渗
两种，目前主要使用的是气体碳氮共渗
? 气体碳氮共渗又分为高温 (820～ 880℃ )以渗碳为主
的气体碳氮共渗，和低温 (560～ 580℃ )以渗氮为主
的气体氮碳共渗两类
? 常用的共渗介质是尿素、甲酰胺和三乙醇胺
? 气体碳氮共渗的共渗层比渗碳层硬度高，
耐磨性、抗蚀性和疲劳强度更好；比渗氮
层深度大，表面脆性小而抗压强度高；共
渗速度快，生产率高，变形开裂倾向小
? 应用于自行车、缝纫机、仪表零件，齿轮、
轴类等机床、汽车的小型零件，以及模具、
量具和刃具的表面处理
5.3.2 钢的表面形变强化
? 钢的表面形变强化主要用于提高钢的表面
性能，已成为提高钢的疲劳强度，延长使
用寿命的重要工艺措施。目前常用的有喷
丸，滚压和内孔挤压等表面形变强化工艺
1,喷丸
? 喷丸是利用高速弹丸流强烈喷射工件表面，从而
产生表面形变强化的工艺
? 弹丸流使工件表面层产生强烈的冷塑性变形，形
成极高密度的位错 (ρ> 1× 1012／ cm2)，使亚晶粒
极大地细化，并形成较高的宏观残余压应力，因
而提高工件的抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能
? 例：将 1Crl3不锈钢采用喷丸强化处理后，将试样
加载产生 420MPa的拉应力，并放入 150℃ 的饱和水
蒸汽中作应力腐蚀试验。 结果未喷丸的在一周内
断裂，而喷丸后的试样到 8周后才断裂。
? 常用的喷丸有铸铁弹丸 (含 2.75％～ 3.60％ C，
58～ 65HRC，经退火提高韧性，硬度降低为
30～ 57HRC,弹丸直径 d=Φ0.2～ 1.5mm)，钢
弹丸 (含 0.7％ C的弹簧钢或不锈钢,45～
50HRC,d=Φ0.4～ 1.2mm)和玻璃弹丸 (46～ 50
HRC,d=Φ0.05～ 0.4mm)
? 喷丸设备可采用机械离心式喷丸机或气动式
喷丸机
2,滚压
? 滚压强化适用于外圆柱面，锥面，平面，齿面，
螺纹，圆角，沟槽及其它特殊形状的表面，滚压
加工属于少无切削加工，能较容易地压平工件表
面的粗糙度凸峰，使表面粗糙度 Ra达到 0.4～ 0.1μm，
同时不切断金属纤维，增加滚压层的位错密度，
形成有利的残余压应力，提高工件的耐磨性和疲
劳强度
? 例如，滚压螺纹比车削螺纹提高生产率 10～ 30倍，
抗拉强度提高 20%～ 30%，疲劳强度提高 50%
谢谢大家 !
