第七章 钢的热处理
Heat Treatment of Steel
热处理通常指的是将材料加热到相变温度以
上发生相变，再施以冷却再发生相变的工艺过程。
通过这个相变与再相变，材料的内部组织发
生了变化，因而性能变化。例如碳素工具钢 T8
在市面上购回的经球化退火的材料其硬度仅为
20HRC，作为工具需经淬火并低温回火使硬度
提高到 60~63HRC，这是因为内部组织由淬火
之前的粒状珠光体转变为淬火加低温回火后的回
火马氏体。同一种材料热处理工艺不一样其性能
差别很大。
第一节 热处理的基本概念
Basic Conception of Heat Treatment
一、热处理的基本要素
热处理工艺中有三大基本要素：加热, 保温, 冷却 。 这三大基本要
素决定了材料热处理后的组织和性能 。
加热 是热处理的第一道工序 。 不同的材料, 其加热工艺和加热温度
都不同 。 加热分为两种, 一种是在临界点 A1以下的加热, 此时不发生组
织变化 。 另一种是在 A1以上的加热, 目的是为了获得均匀的奥氏体组织,
这一过程称为奥氏体化 。
保温 的目的是要保证工件烧透, 防止脱碳, 氧化等 。 保温时间和介
质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系 。 一般工件越大, 导热性越
差, 保温时间就越长 。
冷却 是热处理的最终工序，也是热处理最重要的工序。钢在不同冷
却速度下可以转变为不同的组织。
三、热处理与相图
热处理的基本类型
根据加热, 冷却方式的不同及组织, 性能变化特点的不同, 热
处理可以分为下列几类,
普通热处理,包括退火, 正火, 淬火和回火等 。
表面热处理, 包括感应加热表面淬火, 火焰加热表面淬火,
电接触加热表面淬火, 渗碳, 氮化和碳氮共渗等 。
其它热处理,包括可控气氛热处理, 真空热处理和形变热处理
等 。
按照热处理在零件生产过程中的位置和作用不同，热处理工
艺还可分为 预备热处理 和 最终热处理 。
预备热处理 是零件加工过程中的一道中间工序（也称为中间
热处理），其目的是改善锻、铸毛坯件组织、消除应力，为后续
的机加工或进一步的热处理作准备。
最终热处理 是零件加工的最终工序，其目的是使经过成型工
艺达到要求的形状和尺寸后的零件的性能达到所需要的使用性能。
钢的临界转变温度
Ac3 Accm
Ac1 Ar3
Arcm
Ar1
C%
加热和冷却速度对钢的临界温度的影响
温
度
A3 Acm
A1
第二节 钢在加热时的转变
Heating Up Transformation
钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体，然后以不同速度冷却使奥
氏体转变为不同的组织，得到钢的不同性能。因此掌握热处理规律，
首先要研究钢在加热时的变化。加热的目的是得到奥氏体。
一、加热时奥氏体的形成过程
共析钢的加热转变
（ α +Fe3C） γ 晶核 γ 长大 残余 Fe3C溶解 不均匀 γ 均匀 γ
珠光体向奥氏体转变示意图
温
度
A3 Acm
A1
距
离
6.69％ 浓度 C
C1 C2
奥氏体 A
Ｆ
奥氏体形成的三个阶段,
第一阶段：奥氏体晶核的形成与奥氏体长大；
第二阶段：残余渗碳体的溶解；
第三阶段：奥氏体成分的均匀化。
珠光体转变为奥氏体并使奥氏体成分均匀必须有两个必
要而充分条件：一是温度条件，要在 Ac1以上加热；二是时
间条件，要求在 Ac1以上温度保持足够时间。
在一定加热速度条件下，超过 Ac1的温度越高，奥氏体的
形成与成分均匀化需要的时间愈短；在一定的温度（高于
Ac1）条件下，保温时间越长，奥氏体成分越均匀。
二、钢的加热缺陷
? 钢加热时常见的缺陷,
（ 1） 氧化
加热时的氧化性气氛 （ 如空气, 气氛中 O2,CO2,H2O等 ） 氧化钢铁,
在工件表面形成 FeO,Fe2O3,Fe3O4等氧化物 。 氧化将 导致钢的烧损加大,
而且使零件尺寸变小, 表面粗糙, 更重要的还严重影响后序热处理的质
量 。
（ 2） 脱碳
钢加热过程中脱碳, 即钢中的碳被烧损使钢表面含碳量降低的现象 。 由
于脱碳使钢件表面含碳量下降, 导致钢件机械强度下降, 特别是工件的
疲劳强度下降, 耐磨损性能降低 。
（ 3） 过热
钢的过热指的是加热温度比正常温度偏高, 出现的现象是钢的奥氏体晶
粒较正常的要大, 即晶粒变粗 。 结果是, 钢的塑性, 韧性, 强度降低,
同时工件热处理后变形加大, 还可能导致热处理裂纹, 使工件报废 。
（ 4） 过烧
指的是加热温度太高，奥氏体晶界或部分晶界氧化甚至熔化的现象。
后果是，处理的工件很脆，如果锻造一锻即裂，过烧的工件只能报废，
无法挽救，因而是致命性的。
加热缺陷的防止办法
（ 1）真空加热
工件在真空中加热是防止氧化脱碳的最有效措施, 是热处理工
艺的发展方向, 但真空加热用的设备投资大, 工艺成本较高 。
（ 2） 保护气氛加热
工件加热过程中向炉内充入一定保护性气氛, 保证钢在不脱碳,
不增碳, 不氧化的气氛下加热 。 但需要一套制取可控气氛的发生装
置, 由于成本较高, 原材料来源不广泛限制了它的应用 。
（ 3） 盐浴加热
工件置于一熔化了的中性盐液中加热，盐液进行充分脱氧，保
证工件加热过程中少氧化，甚至无氧化。问题主要是粘在工件上的
盐难以清洗洁净，清洗不干净会导致储存及应用过程易于长锈。
第三节 热处理的组织转变
Structure Transformation in Heat Treatment
同一种钢加热到奥氏体状态后，由于尔后的
冷却速度不一样，奥氏体转变成的组织不一样，
因而所得的性能也不一样。研究奥氏体冷却转变
常用 TTT曲线（过冷奥氏体等温转变曲线）和
CCT曲线（过冷奥氏体连续冷却转变曲线）。
一、珠光体转变（ Pearlite）
? 珠光体组织
在温度 A1以下至 550℃ 左右的温度范围内, 过冷奥氏体转变产物
是珠光体, 即形成铁素体与渗碳体两相组成的相间排列的层片状的
机械混和物组织, 所以这种类型的转变又叫珠光体转变 。
在珠光体转变中, 由 A1以下温度依次降到鼻尖的 550℃ 左右, 层
片状组织的片间距离依次减小 。 根据片层的厚薄不同, 这类组织又
可细分为三种 。
第一种是 珠光体, 其形成温度为 A1～ 650℃, 片层较厚, 一般在
500倍的光学显微镜下即可分辨 。 用符号, P”表示 。
第二种是 索氏体, 其形成温度为 650℃ ～ 600℃, 片层较薄, 一般
在 800～ 1000倍光学显微镜下才可分辨 。 用符号, S”表示 。
第三种是 托氏体, 其形成温度为 600℃ ～ 550℃, 片层极薄, 只有
在电子显微镜下才能分辨 。 用符号, T”表示 。
姓名 语文 数学 英语 物理
李小红 85 93 90 94
刘兵 83 94
曾小玲 81 89
25μ
珠光体组织
珠光体转变过程
奥氏体转变为珠光体的过程也是形核和长大的过程。
珠光体转变是一种扩散型转变，即铁原子和碳原子均进行扩散。
珠光体转变过程示意图
Fe3C Fe3C
α P
二、贝氏体转变（ Bainite）
贝氏体组织
贝氏体按形成温度不同分为两种：上贝氏体和下贝氏体。
下贝氏体 的形成温度为 350℃ ～ Ms，它有较高的强度和硬度，
还有良好的塑性和韧性，具有较优良的综合机械性能，是生产上常
用的组织。获得下贝氏体组织是强化钢材的途径之一。
上贝氏体 的形成温度为 550℃ ～ 350℃,它的硬度比同样成份的
下贝氏体低，韧性也比下贝氏体差，所以上贝氏体的机械性能很差，
脆性很大，强度很低，基本上没有实用价值。
25μ
下贝氏体的显微组织
下贝氏体碳化物在
铁素体板条中析出 上贝氏体碳化物在铁素体板条间析出
上贝氏体和下贝氏体中碳化物析出位置示意图
贝氏体转变
贝氏体转变机制之学术争论,
1950年：柯俊发表论文
贝氏体的转变机制（目前教科书公认的机制）
铁原子的共格切变；
碳原子的短程扩散。
1950`年代，黑荷曼教授提出贝氏体的切变转变机制，认
为贝氏体转变主要是通过切变完成。
1960`年代，美国的阿隆生教授发表论文提出扩散转变机
制，认为贝氏体转变主要是通过扩散完成的。
从此，两派争执不休。
三、马氏体转变 （ Martensite）
马氏体组织
过冷奥氏体在马氏体开始形成温度 Ms以下转变为马
氏体，这个转变持续至马氏体形成终了温度 Mf。在 Mf以
下，过冷奥氏体停止转变。除 Al,Co元素外，溶解到奥
氏体中的元素均使 Ms,Mf下降，碳含量增多,Ms,Mf
点降低。经冷却后未转变的奥氏体保留在钢中，称为残
余奥氏体。在 Ms与 Mf温度之间过冷奥氏体与马氏体共存。
在 Ms温度以下，转变温度越低，残余奥氏体量越少。随
奥氏体中含碳量的增加 Ms和 Mf均会降低，可见在同样的
冷却速度下（或冷却介质中），奥氏体中含碳量越高，
马氏体中的残余奥氏体就越多。
马氏体形成的温度已是碳原子难以扩散的温度，它是由过冷奥
氏体按无扩散型转变机制的转变产物，马氏体与过冷奥氏体含碳量
相等，晶格同于铁素体体心立方。体心立方晶格的铁素体在室温含
约 0.008%C，对共析钢马氏体的晶格内含约 0.77%C，为此导致体
心立方晶格畸变为体心正方晶格，因此马氏体是含过饱和碳的固溶
体，是单一的相，同高温、中温转变产物有本质区别。
800
600
400
200
0
-200
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0
含碳量 （ %）
含碳量对 Ms与 Mf温度的影响
温
度
℃
M
s
M
f
铁原子
碳原子可能位置
铁原子的
振动范围
马氏体晶格示意图
主要有两种组织：板条马氏体和片状马氏体（孪晶马氏体）
板条马氏体主要产生于低碳钢中；
片状马氏体主要产生于高碳钢中。
20μ 15μ
（ a） （ b）
马氏体的显微组织
（ a）板条状马氏体； （ b）片状马氏体
马氏体转变
（ 1）马氏体转变的特点,
马氏体转变同样是一个形核和长大的过程。它的主要特点是,
1）无扩散性
马氏体转变是在很大的过冷度下进行的，转变温度低，转变时没
有铁原子和碳原子的扩散，只发生从 γ-Fe到 α-Fe的晶格改组。因而
在马氏体转变过程中没有成分变化，马氏体和原奥氏体中固溶的碳
量一致。
2）有共格位向关系
由于原子不能进行扩散，因而马氏体转变中晶格的转变以切变
的方式进行。在切变过程中，由面心立方的奥氏体转变为体心立方
的马氏体。切变不仅使晶格改变，还使切变部分的形状和体积发生
变化，引起相邻奥氏体随之变形。所以，马氏体形成时，马氏体和
奥氏体相界面上的原子是共有的，既属于马氏体，又属于奥氏体，
这种关系称为共格关系。
3）马氏体转变具有一定的位向关系和惯习面
马氏体是在奥氏体一定的结晶面上形成的，此面称为惯习面，
它在相变过程中不变形，也不转动。
4）马氏体转变在一个温度范围内进行
在通常情况下，过冷奥氏体向马氏体转变开始后，必须在不断
降温条件下转变才能继续进行，冷却过程中断，转变立即停止，马
氏体转变与保温时间无关。即使温度降低到 Mf以下，奥氏体也不能
100%转变为氏体，总有部分奥氏体未转变而残留下来，这部分奥
氏体称为残余奥氏体，用, A′”或, γ′”表示。
5）马氏体转变的可逆性
在某些铁合金以及镍与其他有色金属中，奥氏体冷却转变为马
氏体，重新加热时已形成的马氏体又能无扩散地转变为奥氏体，这
就是马氏体转变的可逆性。
c
a
b
c
a
b
c
a
b
（ 2）马氏体的转变机制,
1） K-S关系（ Курдюмов－ Sachs）
由于转变时新相和母相始终保持切变共格性，因此马氏体转
变后新相和母相之间存在一定的结晶学位向关系。
K－ S关系
｛ 110｝ α` //｛ 111｝ γ； <111>α` // <110>γ
2） Bain模型
面心立方
面心立方
第三节 热处理工艺
Heat Treatment technology
钢的热处理工艺可分为三大类：一
是一般热处理 （ 或常规热处理 ）, 即退
火, 正火, 淬火, 回火的, 四火, 处理；
二是表面热处理, 如高频感应加热淬火,
渗碳, 渗氮 （ 氮化 ）, 碳氮共渗等；三
是其它热处理, 如可控气氛热处理, 真
空热处理, 形变热处理等 。
一、过冷奥氏体转变曲线
过冷奥氏体等温转变曲线（ TTT曲线）
共析碳钢过冷奥氏体的
等温转变曲线。纵坐标表示
转变温度，横坐标表示转变
时间。它反映了奥氏体在快
速冷却到临界点以下在各不
同温度的保温过程中，温度,
时间与转变组织、转变量的
关系。在温度 727℃ （即 A1
温度）与温度 Ms（马氏体开
始形成温度）之间有两条似
如, C”字型的曲线，所以又叫
C曲线,TTT曲线或, S”曲线
（按俄语发音）。
A1
珠光体转变开始
贝氏体转变开始
珠光体转变终了
贝氏体转变终了
P
A
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-100
温
度
℃
0 1 10 102 103 104 105
时间 秒
图 6-10 共析钢过冷奥氏体等温转变曲线
Ms
M＋ A
Mf
C曲线分析
在第一条曲线以左的时间过冷奥氏体没有转变, 称为 孕育期 。
孕育期最短处, 过冷奥氏体最不稳定, 转变最快, 这里被称为 C曲
线的, 鼻尖, 。 对于碳钢而言,, 鼻尖, 处温度一般为 550℃ 。
过冷奥氏体的 稳定性 取决于相变的 驱动力 和 扩散 两个因素 。 在
鼻尖以上, 温度越高, 过冷度越小, 因而驱动力也越小, 过冷奥氏
体稳定性增加, 孕育期延长；在鼻尖以下, 温度越低, 原子扩散越
困难, 过冷奥氏体的稳定性也会增加, 孕育期也越长 。 因此, 鼻尖
温度正是珠光体转变和贝氏体转变的分界线 。
在鼻尖温度以上是珠光体转变区；在鼻尖温度以下, Ms温度以
上是贝氏体转变区；而在 Ms温度以下则是马氏体转变区 。 在转变过
渡区, 既有未转变的过冷奥氏体又有转变出的产物, 鼻尖温度以上
为珠光体与过冷奥氏体共存区, 鼻尖温度以下为贝氏体与过冷奥氏
体共存区 。
? 影响 C曲线的因素
影响 C曲线的主要因素是奥氏体的成分和奥氏体化条件。
a）含碳量的影响
在正常加热条件下，亚共析钢的 C曲线随着含碳量的增加而右移，过共
析钢的 C曲线随着含碳量的增加而左移。所以，碳钢中以共析钢的过冷
奥氏体最稳定。
A1
P
A
温
度
℃
时间
（ a）亚共析钢的 C曲线
Ms
M＋ A
Mf
Mf
A3
A F
P
B
A P
A1
P
A
温
度
℃
时间
（ a） 过共析钢的 C曲线
Ms
M＋ A
Mf
Mf
Accm
A Fe3CⅡ P
B
A P
非共析钢的 C曲线
b） 合金元素的影响
除 Co以外, 所有的合金元素溶入奥氏体后, 都能增加奥氏
体的稳定性, 使 C曲线右移 。 某些合金元素含量较多时, C曲线
的形状将发生变化, 甚至整个 C曲线在鼻尖处分开, 形成上下两
个 C曲线 。
c） 奥氏体化条件的影响
随奥氏体化温度的提高和保温时间的延长, 奥氏体晶粒长
大, 晶界面积减少, 奥氏体成分更加均匀 。 这降低了过冷奥氏
体转变的形核率和可能性, 不利于过冷奥氏体的转变, 从而提
高了奥氏体的稳定性, 使 C曲线右移 。 对于同一种钢, 由于奥氏
体化的条件不同, 测出的 C曲线可能有很大的差别 。 因此, 在使
用 C曲线时, 必须注意加热温度和奥氏体晶粒度的影响 。
过冷奥氏体连续冷却转变曲线（ CCT曲线）
A1
Ps
K
Pf
转变中止
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-100
温
度
℃
0 1 10 102 103 104 105
时间 秒
图 6-12 共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线
Ms
A M
Mf
K′
TTT
Vk Vk′
CCT
连续冷却转变曲线又叫 CCT曲
线 。 它是通过测定不同速度下过冷
奥氏体的转变量而获得的 。
如图是共析钢的 CCT 曲线 。
Ps线为过冷奥氏体转变为珠光体的
开始线, Pf为转变终了线, 两线之
间为转变过渡区 。 KK′线为转变的
中止线, 当冷却曲线碰到此线时,
过冷奥氏体就中止向珠光体型组织
转变, 继续冷却一直保持到 Ms点以
下, 使剩余的奥氏体转变为马氏体 。
Vk称为 CCT曲线的临界冷却速度,
它是获得全部马氏体组织 （ 实际还
含有一小部分残余奥氏体 ） 的最小
冷却速度 。
以不同的冷却速度连续冷却时, 过冷奥氏体将会转变为
不同的组织 。 通过连续转变冷却曲线可以了解冷却速度与过
冷奥氏体转变组织的关系 。 根据连续冷却曲线与 CCT曲线交
点的位置, 可以判断连续冷却转变的产物 。 由图中可知, 冷
却速度大于 Vk时, 连续冷却转变得到马氏体组织；当冷却速
度小于 Vk′时, 连续冷却转变得到珠光体组织；而冷却速度大
于 Vk′而小于 Vk时, 连续冷却转变将得到珠光体＋马氏体组
织 。
临界冷却速度越小, 奥氏体越稳定, 因而即使在较慢的
冷却速度下也会得到马氏体 。 这对淬火工艺操作具有十分重
要的意义 。
二, 退火与正火
铸造形成的零件常常出现内部各区域之间化学成分差异,
轧制后常出现带状组织, 纵向与横向之间强度与韧性不一样,
焊接后常出现异常组织, 铸造, 轧制, 锻造, 焊接, 冷拉, 冷
挤压等热加工与冷加工后还会使零件的应力增加 。 这些热加工
或冷加工后给零件造成的内应力不消除会导致零件变形甚至开
裂, 若不使化学成分均匀化, 异常组织给予消除, 会使零件内
各部分的性能差异很大, 危及零件的正常安全使用 。 通过正火,
退火可消除零件内存在的内应力, 改善组织, 改善性能, 适应
零件后序冷, 热加工及使用过程的需要 。
正火是将钢加热到 Ac3或 Accm以上保温再在空气中冷却的
热处理工艺, 退火是将钢加热到相变温度 Ac1以上或以下, 较
长时间保温并缓慢冷却 （ 一般随炉冷却 ） 的一种工艺 。
退火
退火的种类很多, 常用的主要有如下几种类型,
（ 1） 完全退火
目的：清除铸造, 轧制, 锻造, 焊接等造成的异常组织, 均匀化学
成分, 消除内应力, 细化组织, 降低硬度和改善切削加工性 。
工艺,
加热,Ac3以上 20℃ ～ 30℃
冷却：随炉缓慢冷却
组织：近于平衡组织 。
用途：主要用于亚共析钢 （ ωc=0.3～ 0.6%）
（ 2） 球化退火
球化退火加热时由奥氏体及碳化物两相组成, 在保温过
程中其中的碳化物球化, 在保温后的冷却过程中, 尤其在共
析温度附近的缓慢冷却过程中自奥氏体析出的碳化物进行球
化 。 经球化退火的钢由铁素体及均匀分布的球状碳化物组成 。
经球化退火以后的工具, 模具钢硬度降低, 韧性提高, 切削
加工性能也变好, 与此同时存在于钢内部的内应力得以消除 。
目的：让共析或过共析的工模具钢中的碳化物球化 （ 粒化 ） 和消除
网状的二次渗碳体, 提高其切削加工性能
工艺,
加热,Ac1以上 20℃ ～ 30℃
冷却：随炉缓慢冷却
组织：铁素体基体＋粒状渗碳体
用途：主要用于共析或过共析钢 （ ωc≥0.8%）
（ 3） 去应力退火再结晶退火
为了消除由于变形加工以及铸造, 焊接过程引起的残余
内应力而进行的退火称为去应力退火 。 钢的去应力退火加热
温度范围较宽, 但不超过 Ac1点, 一般在 500℃ ～ 650℃ 之间 。
铸铁件去应力退火温度一般为 500℃ ～ 550℃, 超过 550℃
容易造成珠光体的石墨化 。 焊接工件的退火温度一般为
500℃ ～ 600℃ 。 去应力退火过程未发生相变 。 （ 4）
再结晶退火
再结晶退火是把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上
保持适当的时间, 使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒而消
除加工硬化的热处理工艺 。
（ 5） 扩散退火
扩散退火是将工件加热到略低于固相线的温度 （ 亚共析
钢通常为 1050℃ ～ 1150℃ ）, 长时间 （ 一般 10～ 20小时 ）
保温, 然后随炉缓慢冷却到室温 。 扩散退火的主要目的是均
匀钢内部的化学成分 。 主要适用于铸造后的高合金钢 。
正火
正火是将钢材或钢件加热到临界温度以上，保温后空冷的热处
理工艺。亚共析钢的正火加热温度为 Ac3＋ 30℃ ～ 50℃ ；而过
共析钢的正火加热温度则为 Accm＋ 30℃ ～ 50℃ 。
正火与退火的主要区别在于 冷却速度 不同，正火冷却速度较大，
得到的珠光体组织很细，因而强度和硬度也较高。正火后的组织
与材料的成分及原始组织有关，正火后的组织一般为片间距较小
的索氏体，其强度和硬度都较好，韧性也较好，且先共析相（铁
素体或渗碳体）的数量显著减少。对于含碳 0.6%～ 1.4%的碳
钢，正火后甚至不出现先共析相，而全部是伪索氏体。因此，钢
经正火后的机械性能比退火后提高。
正火主要应用于以下几个方面,
（ 1）消除网状二次渗碳体
所有的钢铁材料通过正火，均可使晶粒细化。而原始组织中存
在网状二次渗碳体的过共析钢，经正火处理后可消除对性能不利
的网状二次渗碳体，以保证球化退火质量。
（ 2）作为最终热处理
对于机械性能要求不高的结构钢零件，经正火后所获得的性能
即可满足使用要求，可用正火作为最终热处理。
（ 3）改善切削加工性能
对于低碳钢或低碳合金钢，由于完全退火后硬度太低，一般在
170HB以下，切削加工性能不好。而用正火，则可提高其硬度，
从而改善切削加工性能。所以，对于低碳钢和低碳合金钢，通常
采用正火来代替完全退火，作为预备热处理。
从改善切削加工性能的角度出发，低碳钢宜采用正火；中碳钢
既可采用退火，也可采用正火；含碳 0.45%～ 0.6%的高碳钢则
必须采用完全退火；过共析钢用正火消除网状渗碳体后再进行球
化退火。
三、钢的淬火
将亚共析钢加热到 Ac3以上, 共析钢与
过共析钢加热到 Ac1以上 （ 低于 Accm） 的温
度, 保温后以大于 Vk的速度快速冷却, 使奥
氏体转变为马氏体的热处理工艺叫淬火 。 马
氏体强化是钢的主要强化手段, 因此淬火的
目的就是为了获得马氏体, 提高钢的机械性
能 。 淬火是钢的最重要的热处理工艺, 也是
热处理中应用最广的工艺之一 。
淬火温度的确定
淬火温度即钢的奥氏体
化温度, 是淬火的主要工艺
参数之一 。 选择淬火温度的
原则是获得均匀细小的奥氏
体组织 。
亚共析钢的淬火温度一
般为 Ac3以上 30℃ ～ 50℃,
淬火后获得均匀细小的马氏
体组织 。
过共析钢的淬火温度为
Ac1以上 30℃ ～ 50℃, 这个
加热温度限制了奥氏体的含
碳量, 减少了淬火组织中的
残余奥氏体数量 。
奥氏体
Acm
A+Fe3C
Ⅱ A+F A
F+P P+Fe3C
Ⅱ
A1
1200
1100
1000
900
800
700
温
度
℃
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0
C %
碳钢的淬火温度范围
加热保温时间和淬火介质的确定
淬火加热保温时间,
经验公式,τ＝ KD
淬火介质的确定,
淬火过程是冷却非常快的过
程。为了得到马氏体组织，淬火
冷却速度必须大于临界冷却速度
Vk。但是，冷却速度快必然产生
很大的淬火内应力，这往往会引
起工件变形。
淬火的目的是得到马氏体组
织，同时又要避免产生变形和开
裂。
A1
P
A
温
度
℃
时间 （ 对数 ）
理想淬火冷却曲线示意图
Ms
M＋ A
Mf
Mf
淬火工艺
1 2 3 4
A1
温
度
Ms
时间
各种淬火方法冷却曲线示意图
（ 1） 单液淬火
它是将奥氏体状态的工件放入一种淬火介质中一直冷却到室
温的淬火方法 。 这种方法操作简单, 容易实现机械化, 适用于形
状简单的碳钢和合金钢工件 。 一般来说 。 碳钢的临界冷却速度高,
尤其是尺寸较大的碳钢工件多采用水淬；而尺寸较小的碳钢件及
过冷奥氏体较稳定的合金钢件则可采用油淬 。
（ 2） 双液淬火
它是先将奥氏体状态的工件在冷却能力强的淬火介质中冷却
至接近 Ms点温度时, 再立即转入冷却能力较弱的淬火介质中冷却,
直至完成马氏体转变 （ 图 6-16曲线 2） 。 一般用水作为快冷淬火
介质, 用油作为慢冷淬火介质 。 有时也采用水淬, 空冷的方法 。
这种方法利用了两种介质的优点, 获得了较理想的冷却条件 。 其
缺点是操作复杂, 在第一种介质中停留时间难以掌握, 需要有很
强的实践经验 。 主要用于形状复杂的高碳钢工件及大型合金钢工
件 。
（ 3） 分级淬火
它是将奥氏体状态的工件首先淬入略高于钢的 Ms点的盐浴或
碱浴炉中保温, 当工件内外温度均匀后, 再从浴炉中取出空冷至
室温, 完成马氏体转变 。 分级淬火只适用于尺寸较小的工件, 如
刀具, 量具和要求变形很小的精密工件 。
（ 4） 等温淬火
它是将奥氏体化后的工件在稍高于 Ms温度的盐浴或碱浴中冷
却并保温足够时间, 从而获得下贝氏体组织的淬火方法 。 等温淬
火实际上是分级淬火的进一步发展 。 所不同的是等温淬火获得下
贝氏体组织 。 经这种方法处理的零件强度高, 塑性和韧性好, 即
具有良好的综合机械性能, 同时淬火应力小, 变形小 。 这种方法
多用于形状复杂和要求较高的小零件 。
钢的淬透性
淬透性是钢的重要热处理工艺性能, 也是选材和制定热处
理工艺的重要依据之一 。
（ 1） 淬透性的概念
钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得淬硬层 （ 也
称为淬透层 ） 深度的能力, 其大小用钢在一定条件下淬火获得
的淬硬层深度来表示 。 淬硬层越深, 表明其淬透性越好, 一般
规定由工件表面到半马氏体区 （ 即马氏体和珠光体型组织各占
50%的区域 ） 的深度作为淬硬层深度 。
淬透性的概念与淬硬性不同, 所谓淬硬性是指钢在淬火后
所能达到的最高硬度, 即钢在淬火时的硬化能力 。
（ 2） 影响淬透性的因素
钢的淬透性实质上取决于其过冷奥氏体稳定性的
高低, 表现为临界冷却速度的大小 。 因而只要是影响临
界冷却速度大小 （ C曲线, 鼻尖, 位置 ） 的因素, 均影
响其淬透性 。 一般而言, 凡是使 C曲线右移, 降低临界
冷却速度的因素, 都会提高钢的淬透性 。 所以影响淬透
性的主要因素是化学成分, 除 Co以外, 所有溶于奥氏
体中的合金元素都提高淬透性 。 另外, 奥氏体的均匀性,
晶粒大小及是否存在第二相等因素都会影响淬透性 。
（ 3） 淬透性的测定及其表示方法淬透性的测定方法很多, 目前
应用得最广泛的是, 末端淬火法,, 简称端淬试验 。 试验时, 先将标
准试样加热至奥氏体化温度, 停留 30～ 40min,然后迅速放在端淬试
验台上喷水冷却 。
dHRCJ在末端淬火法中，淬透性值用 表示，其中 J表示末端淬透性,d表示至水
冷端的距离,HRC为该处测得的硬度值。如 表示水冷端 5mm处试样的
硬度值为 HRC42。
φ 30
φ 25
3
10
0
12
.5
φ 12.5
水
HRC
60
50
40
30
20
10 0 3 6 9 12 15 0 0.2 0.4 0.6 0.8
至水冷端距离 （ ｍｍ ） 含碳量 （ %）
40Cr钢
45钢
低合金钢
碳钢
（ a） （ b） （ c）
图 6-17 末端淬火试验测定钢的淬透性曲线
（ a） 喷水装置； （ b） 淬透性曲线举例；
（ c） 钢的半马氏体区 （ 50%M） 硬度与钢的含碳量的关系
5
42J
四, 钢的回火
回火一般是紧接淬火以后的热处理工艺, 回火是淬火后再将工件
加热到 Ac1温度以下某一温度, 保温后再冷却到室温的一种热处理工
艺 。
淬火后的工件有三大不稳定因素：一是工件淬火后处于高内应力
状态, 应力状态不稳定, 需要松弛；二是工件淬火后存在残余奥氏体,
组织不稳定, 需要转变；三是工件淬火后马氏体要自发地向稳定的铁
素体和渗碳体或碳化物的混合物转变, 导致工件尺寸变化, 性能不稳
定, 需要调整组织和性能 。
所以淬火后的钢铁工件不能直接使用, 必须即时回火, 否则会有
工件断裂的危险 。 淬火后回火目的在于降低或消除内应力, 以防止工
件开裂和变形；减少或消除残余奥氏体, 以稳定工件尺寸；调整工件
的内部组织和性能, 以满足工件的使用要求 。
钢在回火时的转变
共析钢在淬火后, 得到的马氏体和残余奥氏体组织是不稳
定的, 存在着向稳定组织转变的自发倾向 。 回火加热可加速这
种自发转变过程 。
根据转变发生的过程和形成的组织, 回火可分为四个阶段,
第一阶段 （ 200℃ 以下 ）,马氏体分解 。 淬火钢在
100℃ ～ 200℃ 范围加热时, 马氏体中的碳以 ε碳化物 （ FexC）
的形式析出, 使马氏体中碳的过饱和度减小, 正方度降低 。 析
出的碳化物以极细小的片状分布在马氏体基体上, 这种组织称
为回火马氏体, 用, M回, 表示 。 在显微镜下观察, 回火马氏体
为黑色, 而残余奥氏体为白色 。
第二阶段 （ 200℃ ～ 300℃ ）,残余奥氏体分解 。 马氏体不
断分解为回火马氏体, 正方度下降, 体积缩小, 降低了对残余奥
氏体的压力促使马氏体分解为下贝氏体 。 其组织与同温度下的回
火马氏体相似 。 残余奥氏体的分解过程从 200℃ 开始, 到 300℃
基本完成 。 所以这个阶段的组织主要是回火马氏体 。
第三阶段 （ 250℃ ～ 400℃ ）,碳化物的转变 。 马氏体和残
余奥氏体分解完成后, 再继续提高温度, 介稳定的 ε碳化物溶入 α
相中, 同时从 α相中析出渗碳体 。 到 350℃ 左右, 马氏体中的含碳
量已基本上降到铁素体的平衡成分, 内应力也大量消除 。 此时回
火马氏体转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状
渗碳体的组织, 称为回火屈氏体, 记为, T回, 。
第四阶段 （ 400℃ 以上 ）,渗碳体的聚集长大与 α相的再结晶 。
温度继续升高时, 渗碳体通过聚集长大形成较大颗粒的渗碳体 。
同时在 450℃ 以上, 铁素体开始发生再结晶, 由针片状转变为多
边形 。 这种由多边形铁素体和粒状渗碳体的混合物称为回火索氏
体, 记为, S回, 。
回火组织及其特点
回火组织 形 成 温 度 组 织 特 征 性 能 特 征
回火马氏体
150℃ ～
350℃
极细的 ε碳化物分布
在马氏体基体上
强度、硬度高，耐磨性好。硬
度一般为 HRC58～ 64。
回火屈氏体
350℃ ～
500℃
细粒状渗碳体分布在
针状铁素体基体上
弹性极限、屈服极限高，具有
一定的韧性。硬度一般为
HRC35～ 45。
回火索氏体
500℃ ～
650℃
粒状渗碳体分布在多
边形铁素体基体上
综合机械性能好，强度、塑性
和韧性好。硬度一般为
HRC25～ 35。
回火工艺
重要的机械零件都要淬火和回火 。 钢淬火和回火后的机械性
能取决于淬火的质量和回火的合理性 。 在淬火得到细小, 均匀和完
全的马氏体的前提下, 工件的性能主要取决于回火温度 。
按照回火后性能要求, 淬火以后的回火有低温回火, 中温回
火, 高温回火 。 按照回火温度和工件所要求的性能, 一般将回火分
为三类 。
（ 1） 低温回火
低温回火温度为 150℃ ～ 250℃, 常用 170－ 200℃ 。 经淬火
并低温回火的工艺主要用于工具, 冷作模具, 处理后的组织主要为
回火马氏体组织 。 经这种热处理后, 淬火中留给零件的内应力很大
一部份被消除, 并保证了零件需要的高硬度 （ 58－ 64HRC） 。 用
以制作石油钻机吊环以及一些高强度连杆, 螺栓使用效果很好 。
（ 2） 中温回火
中温回火温度为 350℃ ～ 500℃, 常用 400℃ － 480℃ 。 淬
火钢经中温回火后, 获得回火屈氏体组织, 钢的硬度约为 38－
50HRC,具有高的弹性, 高的屈服极限, 高的强度极限 （ 即高的
屈强比 ） 和足够的韧性, 适用于弹簧钢的热处理 。
（ 3） 高温回火
高温回火温度为 500℃ ～ 650℃, 常用 550℃ － 650℃ 。 淬
火加高温回火的工艺在工程上称为调质 。
调质处理用于含碳 0.3%～ 0.5%的中碳钢及中碳合金钢 。
处理后的组织为回火索氏体, 具有韧性, 强度配合良好的综合机
械性能 。 常需调质处理的零件如轴类, 连杆, 齿轮等 。 如果需要
氮化处理的零件一般需要先进行调质处理 。
回火脆性
如图是随着回火温度的升高,
钢的冲击韧性的变化规律 。 从图
中我们可以看出, 在 250℃ ～
350℃ 和 500℃ ～ 650℃ 钢的冲
击韧性明显下降, 这种脆化现象
称为回火脆性 。
（ 1） 低温回火脆性
淬火钢在 250℃ ～ 3500℃
范围内回火时出现的脆性叫做低
温回火脆性, 也叫第一类回火脆
性 。 几乎所有的钢都存在这类脆
性 。 这是一种不可逆回火脆性,
目前尚无有效办法完全消除这类
回 火脆 性 。 所 以一 般都 不在
250℃ ～ 350℃ 这个温度范围内
回火 。
快冷
慢冷 20
10
Kg·m/
cm2
0 200 400 600
回火温度 ℃
钢的韧性与回火温度的关系
（ 2） 高温回火脆性
淬火钢在 500℃ ～ 650℃ 范围内回火时出现的脆性称
为高温回火脆性, 也称为第二类回火脆性 。 这种脆性主要
发生在含 Cr,Ni,Si,Mn等合金元素的结构钢中 。 这种脆
性与加热, 冷却条件有关 。 加热至 600℃ 以上后, 以缓慢
的冷却速度通过脆化温度区时, 出现脆性；快速通过脆化
区时, 则不出现脆性 。 此类回火脆性是可逆的, 在出现第
二类回火脆性后, 重新加热至 600℃ 以上快冷, 可消除脆
性 。
第四节 表面热处理
Thermolize
钢的表面热处理有两大类：一类是表
面加热淬火热处理, 通过对零件表面快速
加热及快速冷却使零件表层获得马氏体组
织, 从而增强零件的表层硬度, 提高其抗
磨损性能 。 另一类是化学热处理, 通过改
变零件表层的化学成分, 从而改变表层的
组织, 使其表层的机械性能发生变化 。
一, 表面淬火
仅对钢的表面加热, 冷却而不改变成分的热处理淬火工艺称
为表面淬火 。 按加热方式可分为感应加热, 火焰加热, 电接触加热
和电解加热等 。 最常用的是前两种 。
感应加热表面淬火
（ 1） 感应加热的基本原理
感应线圈通以交流电时, 就会在它的内部和周围产生与交流
频率相同的交变磁场 。 若把工件置于感应磁场中, 则其内部将产生
感应电流并由于电阻的作用被加热 。 感应电流在工件表层密度最大,
而心部几乎为零, 这种现象称为集肤效应 。 电流透入工件表层的深
度主要与电流频率有关 。 如下式所示,
式中,δ为感应电流透入深度 （ mm） ； ρ为被加热零件电阻
（ Ω-mm2/m） ； μ为被加热零件的导磁率 （ G/Oe） ； f为电流频
率 （ Hz） 。
f?
?? 503?
（ 2） 感应加热表面淬火的分类
根据电流频率的不同, 可将
感应加热表面淬火分为三类,
第一类是高频感应加热淬火,
常用电流频率范围为 200～ 300
千 赫兹, 一般 淬硬 层深 度为
0.5～ 2.0mm。 适用于中小模数
的齿轮及中小尺寸的轴类零件等 。
第二类是中频感应加热淬火,
常用电流频率范围为 2500～
800赫兹, 一般淬硬层深度为
2～ 10mm。 适用于较大尺寸的
轴和大中模数的齿轮等 。
第三类是工频感应加热淬火,
电流频率为 50赫兹, 不需要变频
设备, 淬硬层深度可达 10～
15mm。 适用于较大直径零件的
穿透加热及大直径零件如轧辊,
火车车轮等的表面淬火 。
加热感应圈
进水
出水
淬火喷水套
水
电流集中层
电
流
密
度
水 加热淬火层
工件
间隙
感应加热表面淬火示意图
（ 3） 感应加热适用的材料
表面淬火一般适用于中碳钢和中碳低合金钢, 如 45,40Cr、
40MnB等 。 这些钢经预先热处理 （ 正火或调质处理 ） 后再表面淬
火, 心部有较高的综合机械性能, 表面也有较高的硬度和耐磨性 。
另外, 铸铁也是适合于表面淬火的材料 。
（ 4） 感应加热表面淬火的特点
与普通淬火相比, 感应加热表面淬火具有以下主要特点,
一是加热温度高, 升温快 。 这是由于感应加热速度很快, 因
而过热度大 。
二是工件表层易得到细小的隐晶马氏体, 因而硬度比普通淬
火提高 2～ 3HRC,且脆性较低 。
三是工件表层存在残余压应力, 因而疲劳强度较高 。
四是工件表面质量好 。 这是由于加热速度快, 没有保温时间,
工件不易氧化和脱碳, 且由于内部未被加热, 淬火变形小 。
五是生产效率高, 便于实现机械化, 自动化 。 淬硬层深度也
易于控制 。
二, 化学热处理
化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温, 使一种或
几种元素渗入它的表面, 改变其化学成分和组织, 达到改进表面性能,
满足技术要求的热处理过程 。 常用的化学热处理有渗碳, 渗氮 （ 俗称
氮化 ）, 碳氮共渗 （ 俗称氰化和软氮化 ） 等 。 还有渗硫, 渗硼, 渗铝,
渗钒, 渗铬等 。
化学热处理过程包括分解, 吸收, 扩散三个基本过程 。
第一个基本过程是介质的分解 。 加热时介质的化合物分解, 释放
出渗入元素的活性原子 。
第二个基本过程是钢件表面的吸收 。 分解出来的活性原子在钢件
表面吸收并被溶解, 超过溶解度后可能和钢中某些元素形成化合物 。
第三个基本过程是原子向钢件内扩散 。 渗入元素在表层的浓度很
高, 与里层形成浓度差, 导致渗入元素由表及里的扩散, 在一定时间
后, 形成一定浓度的扩散层 。
化学热处理的基本过程与温度有着密切的关系 。 温度高, 过程进
行快, 扩散也厚 。 但温度过高会引起奥氏体晶粒粗大, 使钢变脆 。 所
以, 温度控制是化学热处理的重要环节 。 温度确定后, 渗层深度主要
由时间控制 。
目前生产中最常用的化学热处理工艺是渗碳, 氮化和碳氮共渗 。
（ 1） 渗碳
2CO→ CO2＋ [C] CO2→ H2O＋ [C]
CnH2n→ nH2＋ n[C] CnH2n→ (n＋ 1)H2＋ n[C]
（ 2）渗碳后的热处理
1）预冷直接淬火＋低温回火
2）预冷一次淬火＋低温回火
3）预冷二次淬火＋低温回火
渗碳温度
Accm
Ac3
Ar3
Ac1
160～
180℃
温
度
℃
0 时间 0 时间 0 时间
（ a） （ b） （ c）
（ a） 预冷直接淬火法 （ b） 预冷一次淬火法 （ c） 预冷二次淬火法
渗碳后热处理工艺
第五节 热处理工艺缺陷与零件结构
一、热处理工艺缺陷及其防止措施
硬度不足或出现软点
经淬火后零件硬度偏低和出现软点的主要原因是,
（ 1）亚共析钢加热温度低或保温时间不充分，淬火组织中
有残留铁素体；
（ 2）加热过程中钢件表面发生氧化、脱碳，淬火后局部生
成非马氏体组织；
（ 3）淬火时，冷却速度不足或冷却不均匀，未全部得到马
氏体组织；
（ 4）淬火介质不清洁，工作表面不干净，影响了工件的冷
却速度，致使未能全部淬硬。
零件变形与开裂
淬火工艺过程中零件变形是必然的, 正常的, 但零件出现表
面裂纹导致表面或整体开裂是不允许的, 一般作为废品处理 （ 高
碳钢淬火零件内部出现微裂纹, 经回火后能消除的除外 ） 。
（ 1） 引起变形和开裂的原因
淬火应力, 零件设计不合理等
（ 2） 防止淬火工艺过程零件变形, 开裂的措施
a） 正确选材和合理设计 。
b） 淬火前进行相应的退火或正火, 以细化晶粒并使组织均匀
化, 减少淬火内应力 。
c） 严格控制淬火加热温度, 防止过热缺陷, 同时也可减少淬
火时的热应力 。
d） 采用适当的冷却方法 。
e） 淬火后应立即回火, 以消除应力, 降低工件的脆性 。
二、热处理件结构工艺性
不好
好 设计时注意零件倒角
危 险 截
面
零件存在危险截面应加厚薄壁
工艺
孔
开工艺孔避免淬火变形、开裂
Heat Treatment of Steel
热处理通常指的是将材料加热到相变温度以
上发生相变，再施以冷却再发生相变的工艺过程。
通过这个相变与再相变，材料的内部组织发
生了变化，因而性能变化。例如碳素工具钢 T8
在市面上购回的经球化退火的材料其硬度仅为
20HRC，作为工具需经淬火并低温回火使硬度
提高到 60~63HRC，这是因为内部组织由淬火
之前的粒状珠光体转变为淬火加低温回火后的回
火马氏体。同一种材料热处理工艺不一样其性能
差别很大。
第一节 热处理的基本概念
Basic Conception of Heat Treatment
一、热处理的基本要素
热处理工艺中有三大基本要素：加热, 保温, 冷却 。 这三大基本要
素决定了材料热处理后的组织和性能 。
加热 是热处理的第一道工序 。 不同的材料, 其加热工艺和加热温度
都不同 。 加热分为两种, 一种是在临界点 A1以下的加热, 此时不发生组
织变化 。 另一种是在 A1以上的加热, 目的是为了获得均匀的奥氏体组织,
这一过程称为奥氏体化 。
保温 的目的是要保证工件烧透, 防止脱碳, 氧化等 。 保温时间和介
质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系 。 一般工件越大, 导热性越
差, 保温时间就越长 。
冷却 是热处理的最终工序，也是热处理最重要的工序。钢在不同冷
却速度下可以转变为不同的组织。
三、热处理与相图
热处理的基本类型
根据加热, 冷却方式的不同及组织, 性能变化特点的不同, 热
处理可以分为下列几类,
普通热处理,包括退火, 正火, 淬火和回火等 。
表面热处理, 包括感应加热表面淬火, 火焰加热表面淬火,
电接触加热表面淬火, 渗碳, 氮化和碳氮共渗等 。
其它热处理,包括可控气氛热处理, 真空热处理和形变热处理
等 。
按照热处理在零件生产过程中的位置和作用不同，热处理工
艺还可分为 预备热处理 和 最终热处理 。
预备热处理 是零件加工过程中的一道中间工序（也称为中间
热处理），其目的是改善锻、铸毛坯件组织、消除应力，为后续
的机加工或进一步的热处理作准备。
最终热处理 是零件加工的最终工序，其目的是使经过成型工
艺达到要求的形状和尺寸后的零件的性能达到所需要的使用性能。
钢的临界转变温度
Ac3 Accm
Ac1 Ar3
Arcm
Ar1
C%
加热和冷却速度对钢的临界温度的影响
温
度
A3 Acm
A1
第二节 钢在加热时的转变
Heating Up Transformation
钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体，然后以不同速度冷却使奥
氏体转变为不同的组织，得到钢的不同性能。因此掌握热处理规律，
首先要研究钢在加热时的变化。加热的目的是得到奥氏体。
一、加热时奥氏体的形成过程
共析钢的加热转变
（ α +Fe3C） γ 晶核 γ 长大 残余 Fe3C溶解 不均匀 γ 均匀 γ
珠光体向奥氏体转变示意图
温
度
A3 Acm
A1
距
离
6.69％ 浓度 C
C1 C2
奥氏体 A
Ｆ
奥氏体形成的三个阶段,
第一阶段：奥氏体晶核的形成与奥氏体长大；
第二阶段：残余渗碳体的溶解；
第三阶段：奥氏体成分的均匀化。
珠光体转变为奥氏体并使奥氏体成分均匀必须有两个必
要而充分条件：一是温度条件，要在 Ac1以上加热；二是时
间条件，要求在 Ac1以上温度保持足够时间。
在一定加热速度条件下，超过 Ac1的温度越高，奥氏体的
形成与成分均匀化需要的时间愈短；在一定的温度（高于
Ac1）条件下，保温时间越长，奥氏体成分越均匀。
二、钢的加热缺陷
? 钢加热时常见的缺陷,
（ 1） 氧化
加热时的氧化性气氛 （ 如空气, 气氛中 O2,CO2,H2O等 ） 氧化钢铁,
在工件表面形成 FeO,Fe2O3,Fe3O4等氧化物 。 氧化将 导致钢的烧损加大,
而且使零件尺寸变小, 表面粗糙, 更重要的还严重影响后序热处理的质
量 。
（ 2） 脱碳
钢加热过程中脱碳, 即钢中的碳被烧损使钢表面含碳量降低的现象 。 由
于脱碳使钢件表面含碳量下降, 导致钢件机械强度下降, 特别是工件的
疲劳强度下降, 耐磨损性能降低 。
（ 3） 过热
钢的过热指的是加热温度比正常温度偏高, 出现的现象是钢的奥氏体晶
粒较正常的要大, 即晶粒变粗 。 结果是, 钢的塑性, 韧性, 强度降低,
同时工件热处理后变形加大, 还可能导致热处理裂纹, 使工件报废 。
（ 4） 过烧
指的是加热温度太高，奥氏体晶界或部分晶界氧化甚至熔化的现象。
后果是，处理的工件很脆，如果锻造一锻即裂，过烧的工件只能报废，
无法挽救，因而是致命性的。
加热缺陷的防止办法
（ 1）真空加热
工件在真空中加热是防止氧化脱碳的最有效措施, 是热处理工
艺的发展方向, 但真空加热用的设备投资大, 工艺成本较高 。
（ 2） 保护气氛加热
工件加热过程中向炉内充入一定保护性气氛, 保证钢在不脱碳,
不增碳, 不氧化的气氛下加热 。 但需要一套制取可控气氛的发生装
置, 由于成本较高, 原材料来源不广泛限制了它的应用 。
（ 3） 盐浴加热
工件置于一熔化了的中性盐液中加热，盐液进行充分脱氧，保
证工件加热过程中少氧化，甚至无氧化。问题主要是粘在工件上的
盐难以清洗洁净，清洗不干净会导致储存及应用过程易于长锈。
第三节 热处理的组织转变
Structure Transformation in Heat Treatment
同一种钢加热到奥氏体状态后，由于尔后的
冷却速度不一样，奥氏体转变成的组织不一样，
因而所得的性能也不一样。研究奥氏体冷却转变
常用 TTT曲线（过冷奥氏体等温转变曲线）和
CCT曲线（过冷奥氏体连续冷却转变曲线）。
一、珠光体转变（ Pearlite）
? 珠光体组织
在温度 A1以下至 550℃ 左右的温度范围内, 过冷奥氏体转变产物
是珠光体, 即形成铁素体与渗碳体两相组成的相间排列的层片状的
机械混和物组织, 所以这种类型的转变又叫珠光体转变 。
在珠光体转变中, 由 A1以下温度依次降到鼻尖的 550℃ 左右, 层
片状组织的片间距离依次减小 。 根据片层的厚薄不同, 这类组织又
可细分为三种 。
第一种是 珠光体, 其形成温度为 A1～ 650℃, 片层较厚, 一般在
500倍的光学显微镜下即可分辨 。 用符号, P”表示 。
第二种是 索氏体, 其形成温度为 650℃ ～ 600℃, 片层较薄, 一般
在 800～ 1000倍光学显微镜下才可分辨 。 用符号, S”表示 。
第三种是 托氏体, 其形成温度为 600℃ ～ 550℃, 片层极薄, 只有
在电子显微镜下才能分辨 。 用符号, T”表示 。
姓名 语文 数学 英语 物理
李小红 85 93 90 94
刘兵 83 94
曾小玲 81 89
25μ
珠光体组织
珠光体转变过程
奥氏体转变为珠光体的过程也是形核和长大的过程。
珠光体转变是一种扩散型转变，即铁原子和碳原子均进行扩散。
珠光体转变过程示意图
Fe3C Fe3C
α P
二、贝氏体转变（ Bainite）
贝氏体组织
贝氏体按形成温度不同分为两种：上贝氏体和下贝氏体。
下贝氏体 的形成温度为 350℃ ～ Ms，它有较高的强度和硬度，
还有良好的塑性和韧性，具有较优良的综合机械性能，是生产上常
用的组织。获得下贝氏体组织是强化钢材的途径之一。
上贝氏体 的形成温度为 550℃ ～ 350℃,它的硬度比同样成份的
下贝氏体低，韧性也比下贝氏体差，所以上贝氏体的机械性能很差，
脆性很大，强度很低，基本上没有实用价值。
25μ
下贝氏体的显微组织
下贝氏体碳化物在
铁素体板条中析出 上贝氏体碳化物在铁素体板条间析出
上贝氏体和下贝氏体中碳化物析出位置示意图
贝氏体转变
贝氏体转变机制之学术争论,
1950年：柯俊发表论文
贝氏体的转变机制（目前教科书公认的机制）
铁原子的共格切变；
碳原子的短程扩散。
1950`年代，黑荷曼教授提出贝氏体的切变转变机制，认
为贝氏体转变主要是通过切变完成。
1960`年代，美国的阿隆生教授发表论文提出扩散转变机
制，认为贝氏体转变主要是通过扩散完成的。
从此，两派争执不休。
三、马氏体转变 （ Martensite）
马氏体组织
过冷奥氏体在马氏体开始形成温度 Ms以下转变为马
氏体，这个转变持续至马氏体形成终了温度 Mf。在 Mf以
下，过冷奥氏体停止转变。除 Al,Co元素外，溶解到奥
氏体中的元素均使 Ms,Mf下降，碳含量增多,Ms,Mf
点降低。经冷却后未转变的奥氏体保留在钢中，称为残
余奥氏体。在 Ms与 Mf温度之间过冷奥氏体与马氏体共存。
在 Ms温度以下，转变温度越低，残余奥氏体量越少。随
奥氏体中含碳量的增加 Ms和 Mf均会降低，可见在同样的
冷却速度下（或冷却介质中），奥氏体中含碳量越高，
马氏体中的残余奥氏体就越多。
马氏体形成的温度已是碳原子难以扩散的温度，它是由过冷奥
氏体按无扩散型转变机制的转变产物，马氏体与过冷奥氏体含碳量
相等，晶格同于铁素体体心立方。体心立方晶格的铁素体在室温含
约 0.008%C，对共析钢马氏体的晶格内含约 0.77%C，为此导致体
心立方晶格畸变为体心正方晶格，因此马氏体是含过饱和碳的固溶
体，是单一的相，同高温、中温转变产物有本质区别。
800
600
400
200
0
-200
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0
含碳量 （ %）
含碳量对 Ms与 Mf温度的影响
温
度
℃
M
s
M
f
铁原子
碳原子可能位置
铁原子的
振动范围
马氏体晶格示意图
主要有两种组织：板条马氏体和片状马氏体（孪晶马氏体）
板条马氏体主要产生于低碳钢中；
片状马氏体主要产生于高碳钢中。
20μ 15μ
（ a） （ b）
马氏体的显微组织
（ a）板条状马氏体； （ b）片状马氏体
马氏体转变
（ 1）马氏体转变的特点,
马氏体转变同样是一个形核和长大的过程。它的主要特点是,
1）无扩散性
马氏体转变是在很大的过冷度下进行的，转变温度低，转变时没
有铁原子和碳原子的扩散，只发生从 γ-Fe到 α-Fe的晶格改组。因而
在马氏体转变过程中没有成分变化，马氏体和原奥氏体中固溶的碳
量一致。
2）有共格位向关系
由于原子不能进行扩散，因而马氏体转变中晶格的转变以切变
的方式进行。在切变过程中，由面心立方的奥氏体转变为体心立方
的马氏体。切变不仅使晶格改变，还使切变部分的形状和体积发生
变化，引起相邻奥氏体随之变形。所以，马氏体形成时，马氏体和
奥氏体相界面上的原子是共有的，既属于马氏体，又属于奥氏体，
这种关系称为共格关系。
3）马氏体转变具有一定的位向关系和惯习面
马氏体是在奥氏体一定的结晶面上形成的，此面称为惯习面，
它在相变过程中不变形，也不转动。
4）马氏体转变在一个温度范围内进行
在通常情况下，过冷奥氏体向马氏体转变开始后，必须在不断
降温条件下转变才能继续进行，冷却过程中断，转变立即停止，马
氏体转变与保温时间无关。即使温度降低到 Mf以下，奥氏体也不能
100%转变为氏体，总有部分奥氏体未转变而残留下来，这部分奥
氏体称为残余奥氏体，用, A′”或, γ′”表示。
5）马氏体转变的可逆性
在某些铁合金以及镍与其他有色金属中，奥氏体冷却转变为马
氏体，重新加热时已形成的马氏体又能无扩散地转变为奥氏体，这
就是马氏体转变的可逆性。
c
a
b
c
a
b
c
a
b
（ 2）马氏体的转变机制,
1） K-S关系（ Курдюмов－ Sachs）
由于转变时新相和母相始终保持切变共格性，因此马氏体转
变后新相和母相之间存在一定的结晶学位向关系。
K－ S关系
｛ 110｝ α` //｛ 111｝ γ； <111>α` // <110>γ
2） Bain模型
面心立方
面心立方
第三节 热处理工艺
Heat Treatment technology
钢的热处理工艺可分为三大类：一
是一般热处理 （ 或常规热处理 ）, 即退
火, 正火, 淬火, 回火的, 四火, 处理；
二是表面热处理, 如高频感应加热淬火,
渗碳, 渗氮 （ 氮化 ）, 碳氮共渗等；三
是其它热处理, 如可控气氛热处理, 真
空热处理, 形变热处理等 。
一、过冷奥氏体转变曲线
过冷奥氏体等温转变曲线（ TTT曲线）
共析碳钢过冷奥氏体的
等温转变曲线。纵坐标表示
转变温度，横坐标表示转变
时间。它反映了奥氏体在快
速冷却到临界点以下在各不
同温度的保温过程中，温度,
时间与转变组织、转变量的
关系。在温度 727℃ （即 A1
温度）与温度 Ms（马氏体开
始形成温度）之间有两条似
如, C”字型的曲线，所以又叫
C曲线,TTT曲线或, S”曲线
（按俄语发音）。
A1
珠光体转变开始
贝氏体转变开始
珠光体转变终了
贝氏体转变终了
P
A
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-100
温
度
℃
0 1 10 102 103 104 105
时间 秒
图 6-10 共析钢过冷奥氏体等温转变曲线
Ms
M＋ A
Mf
C曲线分析
在第一条曲线以左的时间过冷奥氏体没有转变, 称为 孕育期 。
孕育期最短处, 过冷奥氏体最不稳定, 转变最快, 这里被称为 C曲
线的, 鼻尖, 。 对于碳钢而言,, 鼻尖, 处温度一般为 550℃ 。
过冷奥氏体的 稳定性 取决于相变的 驱动力 和 扩散 两个因素 。 在
鼻尖以上, 温度越高, 过冷度越小, 因而驱动力也越小, 过冷奥氏
体稳定性增加, 孕育期延长；在鼻尖以下, 温度越低, 原子扩散越
困难, 过冷奥氏体的稳定性也会增加, 孕育期也越长 。 因此, 鼻尖
温度正是珠光体转变和贝氏体转变的分界线 。
在鼻尖温度以上是珠光体转变区；在鼻尖温度以下, Ms温度以
上是贝氏体转变区；而在 Ms温度以下则是马氏体转变区 。 在转变过
渡区, 既有未转变的过冷奥氏体又有转变出的产物, 鼻尖温度以上
为珠光体与过冷奥氏体共存区, 鼻尖温度以下为贝氏体与过冷奥氏
体共存区 。
? 影响 C曲线的因素
影响 C曲线的主要因素是奥氏体的成分和奥氏体化条件。
a）含碳量的影响
在正常加热条件下，亚共析钢的 C曲线随着含碳量的增加而右移，过共
析钢的 C曲线随着含碳量的增加而左移。所以，碳钢中以共析钢的过冷
奥氏体最稳定。
A1
P
A
温
度
℃
时间
（ a）亚共析钢的 C曲线
Ms
M＋ A
Mf
Mf
A3
A F
P
B
A P
A1
P
A
温
度
℃
时间
（ a） 过共析钢的 C曲线
Ms
M＋ A
Mf
Mf
Accm
A Fe3CⅡ P
B
A P
非共析钢的 C曲线
b） 合金元素的影响
除 Co以外, 所有的合金元素溶入奥氏体后, 都能增加奥氏
体的稳定性, 使 C曲线右移 。 某些合金元素含量较多时, C曲线
的形状将发生变化, 甚至整个 C曲线在鼻尖处分开, 形成上下两
个 C曲线 。
c） 奥氏体化条件的影响
随奥氏体化温度的提高和保温时间的延长, 奥氏体晶粒长
大, 晶界面积减少, 奥氏体成分更加均匀 。 这降低了过冷奥氏
体转变的形核率和可能性, 不利于过冷奥氏体的转变, 从而提
高了奥氏体的稳定性, 使 C曲线右移 。 对于同一种钢, 由于奥氏
体化的条件不同, 测出的 C曲线可能有很大的差别 。 因此, 在使
用 C曲线时, 必须注意加热温度和奥氏体晶粒度的影响 。
过冷奥氏体连续冷却转变曲线（ CCT曲线）
A1
Ps
K
Pf
转变中止
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-100
温
度
℃
0 1 10 102 103 104 105
时间 秒
图 6-12 共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线
Ms
A M
Mf
K′
TTT
Vk Vk′
CCT
连续冷却转变曲线又叫 CCT曲
线 。 它是通过测定不同速度下过冷
奥氏体的转变量而获得的 。
如图是共析钢的 CCT 曲线 。
Ps线为过冷奥氏体转变为珠光体的
开始线, Pf为转变终了线, 两线之
间为转变过渡区 。 KK′线为转变的
中止线, 当冷却曲线碰到此线时,
过冷奥氏体就中止向珠光体型组织
转变, 继续冷却一直保持到 Ms点以
下, 使剩余的奥氏体转变为马氏体 。
Vk称为 CCT曲线的临界冷却速度,
它是获得全部马氏体组织 （ 实际还
含有一小部分残余奥氏体 ） 的最小
冷却速度 。
以不同的冷却速度连续冷却时, 过冷奥氏体将会转变为
不同的组织 。 通过连续转变冷却曲线可以了解冷却速度与过
冷奥氏体转变组织的关系 。 根据连续冷却曲线与 CCT曲线交
点的位置, 可以判断连续冷却转变的产物 。 由图中可知, 冷
却速度大于 Vk时, 连续冷却转变得到马氏体组织；当冷却速
度小于 Vk′时, 连续冷却转变得到珠光体组织；而冷却速度大
于 Vk′而小于 Vk时, 连续冷却转变将得到珠光体＋马氏体组
织 。
临界冷却速度越小, 奥氏体越稳定, 因而即使在较慢的
冷却速度下也会得到马氏体 。 这对淬火工艺操作具有十分重
要的意义 。
二, 退火与正火
铸造形成的零件常常出现内部各区域之间化学成分差异,
轧制后常出现带状组织, 纵向与横向之间强度与韧性不一样,
焊接后常出现异常组织, 铸造, 轧制, 锻造, 焊接, 冷拉, 冷
挤压等热加工与冷加工后还会使零件的应力增加 。 这些热加工
或冷加工后给零件造成的内应力不消除会导致零件变形甚至开
裂, 若不使化学成分均匀化, 异常组织给予消除, 会使零件内
各部分的性能差异很大, 危及零件的正常安全使用 。 通过正火,
退火可消除零件内存在的内应力, 改善组织, 改善性能, 适应
零件后序冷, 热加工及使用过程的需要 。
正火是将钢加热到 Ac3或 Accm以上保温再在空气中冷却的
热处理工艺, 退火是将钢加热到相变温度 Ac1以上或以下, 较
长时间保温并缓慢冷却 （ 一般随炉冷却 ） 的一种工艺 。
退火
退火的种类很多, 常用的主要有如下几种类型,
（ 1） 完全退火
目的：清除铸造, 轧制, 锻造, 焊接等造成的异常组织, 均匀化学
成分, 消除内应力, 细化组织, 降低硬度和改善切削加工性 。
工艺,
加热,Ac3以上 20℃ ～ 30℃
冷却：随炉缓慢冷却
组织：近于平衡组织 。
用途：主要用于亚共析钢 （ ωc=0.3～ 0.6%）
（ 2） 球化退火
球化退火加热时由奥氏体及碳化物两相组成, 在保温过
程中其中的碳化物球化, 在保温后的冷却过程中, 尤其在共
析温度附近的缓慢冷却过程中自奥氏体析出的碳化物进行球
化 。 经球化退火的钢由铁素体及均匀分布的球状碳化物组成 。
经球化退火以后的工具, 模具钢硬度降低, 韧性提高, 切削
加工性能也变好, 与此同时存在于钢内部的内应力得以消除 。
目的：让共析或过共析的工模具钢中的碳化物球化 （ 粒化 ） 和消除
网状的二次渗碳体, 提高其切削加工性能
工艺,
加热,Ac1以上 20℃ ～ 30℃
冷却：随炉缓慢冷却
组织：铁素体基体＋粒状渗碳体
用途：主要用于共析或过共析钢 （ ωc≥0.8%）
（ 3） 去应力退火再结晶退火
为了消除由于变形加工以及铸造, 焊接过程引起的残余
内应力而进行的退火称为去应力退火 。 钢的去应力退火加热
温度范围较宽, 但不超过 Ac1点, 一般在 500℃ ～ 650℃ 之间 。
铸铁件去应力退火温度一般为 500℃ ～ 550℃, 超过 550℃
容易造成珠光体的石墨化 。 焊接工件的退火温度一般为
500℃ ～ 600℃ 。 去应力退火过程未发生相变 。 （ 4）
再结晶退火
再结晶退火是把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上
保持适当的时间, 使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒而消
除加工硬化的热处理工艺 。
（ 5） 扩散退火
扩散退火是将工件加热到略低于固相线的温度 （ 亚共析
钢通常为 1050℃ ～ 1150℃ ）, 长时间 （ 一般 10～ 20小时 ）
保温, 然后随炉缓慢冷却到室温 。 扩散退火的主要目的是均
匀钢内部的化学成分 。 主要适用于铸造后的高合金钢 。
正火
正火是将钢材或钢件加热到临界温度以上，保温后空冷的热处
理工艺。亚共析钢的正火加热温度为 Ac3＋ 30℃ ～ 50℃ ；而过
共析钢的正火加热温度则为 Accm＋ 30℃ ～ 50℃ 。
正火与退火的主要区别在于 冷却速度 不同，正火冷却速度较大，
得到的珠光体组织很细，因而强度和硬度也较高。正火后的组织
与材料的成分及原始组织有关，正火后的组织一般为片间距较小
的索氏体，其强度和硬度都较好，韧性也较好，且先共析相（铁
素体或渗碳体）的数量显著减少。对于含碳 0.6%～ 1.4%的碳
钢，正火后甚至不出现先共析相，而全部是伪索氏体。因此，钢
经正火后的机械性能比退火后提高。
正火主要应用于以下几个方面,
（ 1）消除网状二次渗碳体
所有的钢铁材料通过正火，均可使晶粒细化。而原始组织中存
在网状二次渗碳体的过共析钢，经正火处理后可消除对性能不利
的网状二次渗碳体，以保证球化退火质量。
（ 2）作为最终热处理
对于机械性能要求不高的结构钢零件，经正火后所获得的性能
即可满足使用要求，可用正火作为最终热处理。
（ 3）改善切削加工性能
对于低碳钢或低碳合金钢，由于完全退火后硬度太低，一般在
170HB以下，切削加工性能不好。而用正火，则可提高其硬度，
从而改善切削加工性能。所以，对于低碳钢和低碳合金钢，通常
采用正火来代替完全退火，作为预备热处理。
从改善切削加工性能的角度出发，低碳钢宜采用正火；中碳钢
既可采用退火，也可采用正火；含碳 0.45%～ 0.6%的高碳钢则
必须采用完全退火；过共析钢用正火消除网状渗碳体后再进行球
化退火。
三、钢的淬火
将亚共析钢加热到 Ac3以上, 共析钢与
过共析钢加热到 Ac1以上 （ 低于 Accm） 的温
度, 保温后以大于 Vk的速度快速冷却, 使奥
氏体转变为马氏体的热处理工艺叫淬火 。 马
氏体强化是钢的主要强化手段, 因此淬火的
目的就是为了获得马氏体, 提高钢的机械性
能 。 淬火是钢的最重要的热处理工艺, 也是
热处理中应用最广的工艺之一 。
淬火温度的确定
淬火温度即钢的奥氏体
化温度, 是淬火的主要工艺
参数之一 。 选择淬火温度的
原则是获得均匀细小的奥氏
体组织 。
亚共析钢的淬火温度一
般为 Ac3以上 30℃ ～ 50℃,
淬火后获得均匀细小的马氏
体组织 。
过共析钢的淬火温度为
Ac1以上 30℃ ～ 50℃, 这个
加热温度限制了奥氏体的含
碳量, 减少了淬火组织中的
残余奥氏体数量 。
奥氏体
Acm
A+Fe3C
Ⅱ A+F A
F+P P+Fe3C
Ⅱ
A1
1200
1100
1000
900
800
700
温
度
℃
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0
C %
碳钢的淬火温度范围
加热保温时间和淬火介质的确定
淬火加热保温时间,
经验公式,τ＝ KD
淬火介质的确定,
淬火过程是冷却非常快的过
程。为了得到马氏体组织，淬火
冷却速度必须大于临界冷却速度
Vk。但是，冷却速度快必然产生
很大的淬火内应力，这往往会引
起工件变形。
淬火的目的是得到马氏体组
织，同时又要避免产生变形和开
裂。
A1
P
A
温
度
℃
时间 （ 对数 ）
理想淬火冷却曲线示意图
Ms
M＋ A
Mf
Mf
淬火工艺
1 2 3 4
A1
温
度
Ms
时间
各种淬火方法冷却曲线示意图
（ 1） 单液淬火
它是将奥氏体状态的工件放入一种淬火介质中一直冷却到室
温的淬火方法 。 这种方法操作简单, 容易实现机械化, 适用于形
状简单的碳钢和合金钢工件 。 一般来说 。 碳钢的临界冷却速度高,
尤其是尺寸较大的碳钢工件多采用水淬；而尺寸较小的碳钢件及
过冷奥氏体较稳定的合金钢件则可采用油淬 。
（ 2） 双液淬火
它是先将奥氏体状态的工件在冷却能力强的淬火介质中冷却
至接近 Ms点温度时, 再立即转入冷却能力较弱的淬火介质中冷却,
直至完成马氏体转变 （ 图 6-16曲线 2） 。 一般用水作为快冷淬火
介质, 用油作为慢冷淬火介质 。 有时也采用水淬, 空冷的方法 。
这种方法利用了两种介质的优点, 获得了较理想的冷却条件 。 其
缺点是操作复杂, 在第一种介质中停留时间难以掌握, 需要有很
强的实践经验 。 主要用于形状复杂的高碳钢工件及大型合金钢工
件 。
（ 3） 分级淬火
它是将奥氏体状态的工件首先淬入略高于钢的 Ms点的盐浴或
碱浴炉中保温, 当工件内外温度均匀后, 再从浴炉中取出空冷至
室温, 完成马氏体转变 。 分级淬火只适用于尺寸较小的工件, 如
刀具, 量具和要求变形很小的精密工件 。
（ 4） 等温淬火
它是将奥氏体化后的工件在稍高于 Ms温度的盐浴或碱浴中冷
却并保温足够时间, 从而获得下贝氏体组织的淬火方法 。 等温淬
火实际上是分级淬火的进一步发展 。 所不同的是等温淬火获得下
贝氏体组织 。 经这种方法处理的零件强度高, 塑性和韧性好, 即
具有良好的综合机械性能, 同时淬火应力小, 变形小 。 这种方法
多用于形状复杂和要求较高的小零件 。
钢的淬透性
淬透性是钢的重要热处理工艺性能, 也是选材和制定热处
理工艺的重要依据之一 。
（ 1） 淬透性的概念
钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得淬硬层 （ 也
称为淬透层 ） 深度的能力, 其大小用钢在一定条件下淬火获得
的淬硬层深度来表示 。 淬硬层越深, 表明其淬透性越好, 一般
规定由工件表面到半马氏体区 （ 即马氏体和珠光体型组织各占
50%的区域 ） 的深度作为淬硬层深度 。
淬透性的概念与淬硬性不同, 所谓淬硬性是指钢在淬火后
所能达到的最高硬度, 即钢在淬火时的硬化能力 。
（ 2） 影响淬透性的因素
钢的淬透性实质上取决于其过冷奥氏体稳定性的
高低, 表现为临界冷却速度的大小 。 因而只要是影响临
界冷却速度大小 （ C曲线, 鼻尖, 位置 ） 的因素, 均影
响其淬透性 。 一般而言, 凡是使 C曲线右移, 降低临界
冷却速度的因素, 都会提高钢的淬透性 。 所以影响淬透
性的主要因素是化学成分, 除 Co以外, 所有溶于奥氏
体中的合金元素都提高淬透性 。 另外, 奥氏体的均匀性,
晶粒大小及是否存在第二相等因素都会影响淬透性 。
（ 3） 淬透性的测定及其表示方法淬透性的测定方法很多, 目前
应用得最广泛的是, 末端淬火法,, 简称端淬试验 。 试验时, 先将标
准试样加热至奥氏体化温度, 停留 30～ 40min,然后迅速放在端淬试
验台上喷水冷却 。
dHRCJ在末端淬火法中，淬透性值用 表示，其中 J表示末端淬透性,d表示至水
冷端的距离,HRC为该处测得的硬度值。如 表示水冷端 5mm处试样的
硬度值为 HRC42。
φ 30
φ 25
3
10
0
12
.5
φ 12.5
水
HRC
60
50
40
30
20
10 0 3 6 9 12 15 0 0.2 0.4 0.6 0.8
至水冷端距离 （ ｍｍ ） 含碳量 （ %）
40Cr钢
45钢
低合金钢
碳钢
（ a） （ b） （ c）
图 6-17 末端淬火试验测定钢的淬透性曲线
（ a） 喷水装置； （ b） 淬透性曲线举例；
（ c） 钢的半马氏体区 （ 50%M） 硬度与钢的含碳量的关系
5
42J
四, 钢的回火
回火一般是紧接淬火以后的热处理工艺, 回火是淬火后再将工件
加热到 Ac1温度以下某一温度, 保温后再冷却到室温的一种热处理工
艺 。
淬火后的工件有三大不稳定因素：一是工件淬火后处于高内应力
状态, 应力状态不稳定, 需要松弛；二是工件淬火后存在残余奥氏体,
组织不稳定, 需要转变；三是工件淬火后马氏体要自发地向稳定的铁
素体和渗碳体或碳化物的混合物转变, 导致工件尺寸变化, 性能不稳
定, 需要调整组织和性能 。
所以淬火后的钢铁工件不能直接使用, 必须即时回火, 否则会有
工件断裂的危险 。 淬火后回火目的在于降低或消除内应力, 以防止工
件开裂和变形；减少或消除残余奥氏体, 以稳定工件尺寸；调整工件
的内部组织和性能, 以满足工件的使用要求 。
钢在回火时的转变
共析钢在淬火后, 得到的马氏体和残余奥氏体组织是不稳
定的, 存在着向稳定组织转变的自发倾向 。 回火加热可加速这
种自发转变过程 。
根据转变发生的过程和形成的组织, 回火可分为四个阶段,
第一阶段 （ 200℃ 以下 ）,马氏体分解 。 淬火钢在
100℃ ～ 200℃ 范围加热时, 马氏体中的碳以 ε碳化物 （ FexC）
的形式析出, 使马氏体中碳的过饱和度减小, 正方度降低 。 析
出的碳化物以极细小的片状分布在马氏体基体上, 这种组织称
为回火马氏体, 用, M回, 表示 。 在显微镜下观察, 回火马氏体
为黑色, 而残余奥氏体为白色 。
第二阶段 （ 200℃ ～ 300℃ ）,残余奥氏体分解 。 马氏体不
断分解为回火马氏体, 正方度下降, 体积缩小, 降低了对残余奥
氏体的压力促使马氏体分解为下贝氏体 。 其组织与同温度下的回
火马氏体相似 。 残余奥氏体的分解过程从 200℃ 开始, 到 300℃
基本完成 。 所以这个阶段的组织主要是回火马氏体 。
第三阶段 （ 250℃ ～ 400℃ ）,碳化物的转变 。 马氏体和残
余奥氏体分解完成后, 再继续提高温度, 介稳定的 ε碳化物溶入 α
相中, 同时从 α相中析出渗碳体 。 到 350℃ 左右, 马氏体中的含碳
量已基本上降到铁素体的平衡成分, 内应力也大量消除 。 此时回
火马氏体转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状
渗碳体的组织, 称为回火屈氏体, 记为, T回, 。
第四阶段 （ 400℃ 以上 ）,渗碳体的聚集长大与 α相的再结晶 。
温度继续升高时, 渗碳体通过聚集长大形成较大颗粒的渗碳体 。
同时在 450℃ 以上, 铁素体开始发生再结晶, 由针片状转变为多
边形 。 这种由多边形铁素体和粒状渗碳体的混合物称为回火索氏
体, 记为, S回, 。
回火组织及其特点
回火组织 形 成 温 度 组 织 特 征 性 能 特 征
回火马氏体
150℃ ～
350℃
极细的 ε碳化物分布
在马氏体基体上
强度、硬度高，耐磨性好。硬
度一般为 HRC58～ 64。
回火屈氏体
350℃ ～
500℃
细粒状渗碳体分布在
针状铁素体基体上
弹性极限、屈服极限高，具有
一定的韧性。硬度一般为
HRC35～ 45。
回火索氏体
500℃ ～
650℃
粒状渗碳体分布在多
边形铁素体基体上
综合机械性能好，强度、塑性
和韧性好。硬度一般为
HRC25～ 35。
回火工艺
重要的机械零件都要淬火和回火 。 钢淬火和回火后的机械性
能取决于淬火的质量和回火的合理性 。 在淬火得到细小, 均匀和完
全的马氏体的前提下, 工件的性能主要取决于回火温度 。
按照回火后性能要求, 淬火以后的回火有低温回火, 中温回
火, 高温回火 。 按照回火温度和工件所要求的性能, 一般将回火分
为三类 。
（ 1） 低温回火
低温回火温度为 150℃ ～ 250℃, 常用 170－ 200℃ 。 经淬火
并低温回火的工艺主要用于工具, 冷作模具, 处理后的组织主要为
回火马氏体组织 。 经这种热处理后, 淬火中留给零件的内应力很大
一部份被消除, 并保证了零件需要的高硬度 （ 58－ 64HRC） 。 用
以制作石油钻机吊环以及一些高强度连杆, 螺栓使用效果很好 。
（ 2） 中温回火
中温回火温度为 350℃ ～ 500℃, 常用 400℃ － 480℃ 。 淬
火钢经中温回火后, 获得回火屈氏体组织, 钢的硬度约为 38－
50HRC,具有高的弹性, 高的屈服极限, 高的强度极限 （ 即高的
屈强比 ） 和足够的韧性, 适用于弹簧钢的热处理 。
（ 3） 高温回火
高温回火温度为 500℃ ～ 650℃, 常用 550℃ － 650℃ 。 淬
火加高温回火的工艺在工程上称为调质 。
调质处理用于含碳 0.3%～ 0.5%的中碳钢及中碳合金钢 。
处理后的组织为回火索氏体, 具有韧性, 强度配合良好的综合机
械性能 。 常需调质处理的零件如轴类, 连杆, 齿轮等 。 如果需要
氮化处理的零件一般需要先进行调质处理 。
回火脆性
如图是随着回火温度的升高,
钢的冲击韧性的变化规律 。 从图
中我们可以看出, 在 250℃ ～
350℃ 和 500℃ ～ 650℃ 钢的冲
击韧性明显下降, 这种脆化现象
称为回火脆性 。
（ 1） 低温回火脆性
淬火钢在 250℃ ～ 3500℃
范围内回火时出现的脆性叫做低
温回火脆性, 也叫第一类回火脆
性 。 几乎所有的钢都存在这类脆
性 。 这是一种不可逆回火脆性,
目前尚无有效办法完全消除这类
回 火脆 性 。 所 以一 般都 不在
250℃ ～ 350℃ 这个温度范围内
回火 。
快冷
慢冷 20
10
Kg·m/
cm2
0 200 400 600
回火温度 ℃
钢的韧性与回火温度的关系
（ 2） 高温回火脆性
淬火钢在 500℃ ～ 650℃ 范围内回火时出现的脆性称
为高温回火脆性, 也称为第二类回火脆性 。 这种脆性主要
发生在含 Cr,Ni,Si,Mn等合金元素的结构钢中 。 这种脆
性与加热, 冷却条件有关 。 加热至 600℃ 以上后, 以缓慢
的冷却速度通过脆化温度区时, 出现脆性；快速通过脆化
区时, 则不出现脆性 。 此类回火脆性是可逆的, 在出现第
二类回火脆性后, 重新加热至 600℃ 以上快冷, 可消除脆
性 。
第四节 表面热处理
Thermolize
钢的表面热处理有两大类：一类是表
面加热淬火热处理, 通过对零件表面快速
加热及快速冷却使零件表层获得马氏体组
织, 从而增强零件的表层硬度, 提高其抗
磨损性能 。 另一类是化学热处理, 通过改
变零件表层的化学成分, 从而改变表层的
组织, 使其表层的机械性能发生变化 。
一, 表面淬火
仅对钢的表面加热, 冷却而不改变成分的热处理淬火工艺称
为表面淬火 。 按加热方式可分为感应加热, 火焰加热, 电接触加热
和电解加热等 。 最常用的是前两种 。
感应加热表面淬火
（ 1） 感应加热的基本原理
感应线圈通以交流电时, 就会在它的内部和周围产生与交流
频率相同的交变磁场 。 若把工件置于感应磁场中, 则其内部将产生
感应电流并由于电阻的作用被加热 。 感应电流在工件表层密度最大,
而心部几乎为零, 这种现象称为集肤效应 。 电流透入工件表层的深
度主要与电流频率有关 。 如下式所示,
式中,δ为感应电流透入深度 （ mm） ； ρ为被加热零件电阻
（ Ω-mm2/m） ； μ为被加热零件的导磁率 （ G/Oe） ； f为电流频
率 （ Hz） 。
f?
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（ 2） 感应加热表面淬火的分类
根据电流频率的不同, 可将
感应加热表面淬火分为三类,
第一类是高频感应加热淬火,
常用电流频率范围为 200～ 300
千 赫兹, 一般 淬硬 层深 度为
0.5～ 2.0mm。 适用于中小模数
的齿轮及中小尺寸的轴类零件等 。
第二类是中频感应加热淬火,
常用电流频率范围为 2500～
800赫兹, 一般淬硬层深度为
2～ 10mm。 适用于较大尺寸的
轴和大中模数的齿轮等 。
第三类是工频感应加热淬火,
电流频率为 50赫兹, 不需要变频
设备, 淬硬层深度可达 10～
15mm。 适用于较大直径零件的
穿透加热及大直径零件如轧辊,
火车车轮等的表面淬火 。
加热感应圈
进水
出水
淬火喷水套
水
电流集中层
电
流
密
度
水 加热淬火层
工件
间隙
感应加热表面淬火示意图
（ 3） 感应加热适用的材料
表面淬火一般适用于中碳钢和中碳低合金钢, 如 45,40Cr、
40MnB等 。 这些钢经预先热处理 （ 正火或调质处理 ） 后再表面淬
火, 心部有较高的综合机械性能, 表面也有较高的硬度和耐磨性 。
另外, 铸铁也是适合于表面淬火的材料 。
（ 4） 感应加热表面淬火的特点
与普通淬火相比, 感应加热表面淬火具有以下主要特点,
一是加热温度高, 升温快 。 这是由于感应加热速度很快, 因
而过热度大 。
二是工件表层易得到细小的隐晶马氏体, 因而硬度比普通淬
火提高 2～ 3HRC,且脆性较低 。
三是工件表层存在残余压应力, 因而疲劳强度较高 。
四是工件表面质量好 。 这是由于加热速度快, 没有保温时间,
工件不易氧化和脱碳, 且由于内部未被加热, 淬火变形小 。
五是生产效率高, 便于实现机械化, 自动化 。 淬硬层深度也
易于控制 。
二, 化学热处理
化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温, 使一种或
几种元素渗入它的表面, 改变其化学成分和组织, 达到改进表面性能,
满足技术要求的热处理过程 。 常用的化学热处理有渗碳, 渗氮 （ 俗称
氮化 ）, 碳氮共渗 （ 俗称氰化和软氮化 ） 等 。 还有渗硫, 渗硼, 渗铝,
渗钒, 渗铬等 。
化学热处理过程包括分解, 吸收, 扩散三个基本过程 。
第一个基本过程是介质的分解 。 加热时介质的化合物分解, 释放
出渗入元素的活性原子 。
第二个基本过程是钢件表面的吸收 。 分解出来的活性原子在钢件
表面吸收并被溶解, 超过溶解度后可能和钢中某些元素形成化合物 。
第三个基本过程是原子向钢件内扩散 。 渗入元素在表层的浓度很
高, 与里层形成浓度差, 导致渗入元素由表及里的扩散, 在一定时间
后, 形成一定浓度的扩散层 。
化学热处理的基本过程与温度有着密切的关系 。 温度高, 过程进
行快, 扩散也厚 。 但温度过高会引起奥氏体晶粒粗大, 使钢变脆 。 所
以, 温度控制是化学热处理的重要环节 。 温度确定后, 渗层深度主要
由时间控制 。
目前生产中最常用的化学热处理工艺是渗碳, 氮化和碳氮共渗 。
（ 1） 渗碳
2CO→ CO2＋ [C] CO2→ H2O＋ [C]
CnH2n→ nH2＋ n[C] CnH2n→ (n＋ 1)H2＋ n[C]
（ 2）渗碳后的热处理
1）预冷直接淬火＋低温回火
2）预冷一次淬火＋低温回火
3）预冷二次淬火＋低温回火
渗碳温度
Accm
Ac3
Ar3
Ac1
160～
180℃
温
度
℃
0 时间 0 时间 0 时间
（ a） （ b） （ c）
（ a） 预冷直接淬火法 （ b） 预冷一次淬火法 （ c） 预冷二次淬火法
渗碳后热处理工艺
第五节 热处理工艺缺陷与零件结构
一、热处理工艺缺陷及其防止措施
硬度不足或出现软点
经淬火后零件硬度偏低和出现软点的主要原因是,
（ 1）亚共析钢加热温度低或保温时间不充分，淬火组织中
有残留铁素体；
（ 2）加热过程中钢件表面发生氧化、脱碳，淬火后局部生
成非马氏体组织；
（ 3）淬火时，冷却速度不足或冷却不均匀，未全部得到马
氏体组织；
（ 4）淬火介质不清洁，工作表面不干净，影响了工件的冷
却速度，致使未能全部淬硬。
零件变形与开裂
淬火工艺过程中零件变形是必然的, 正常的, 但零件出现表
面裂纹导致表面或整体开裂是不允许的, 一般作为废品处理 （ 高
碳钢淬火零件内部出现微裂纹, 经回火后能消除的除外 ） 。
（ 1） 引起变形和开裂的原因
淬火应力, 零件设计不合理等
（ 2） 防止淬火工艺过程零件变形, 开裂的措施
a） 正确选材和合理设计 。
b） 淬火前进行相应的退火或正火, 以细化晶粒并使组织均匀
化, 减少淬火内应力 。
c） 严格控制淬火加热温度, 防止过热缺陷, 同时也可减少淬
火时的热应力 。
d） 采用适当的冷却方法 。
e） 淬火后应立即回火, 以消除应力, 降低工件的脆性 。
二、热处理件结构工艺性
不好
好 设计时注意零件倒角
危 险 截
面
零件存在危险截面应加厚薄壁
工艺
孔
开工艺孔避免淬火变形、开裂
