机械工程材料（第六版）课件 第四章 钢的热处理

4.1

钢在加热与冷却时的组织转变4.2

钢的退火与正火4.3

钢的淬火与回火4.4

钢的表面热处理与化学热处理(后续)本章建议按“组织转变规律

→

工艺方法→

工程应用”主线理解。教学提示第4章钢的热处理理解钢在加热与冷却时的组织转变规律；掌握退火、正火、淬火、回火等基本工艺；认识淬透性及其工程意义。热处理定义：

通过加热、保温、冷却改变钢的组织与性能，是机械制造中最重要的强化与

预处理手段之

一。奥氏体如何形成?过冷奥氏体会转变成哪些组织?不同热处理工艺各适用于

哪些零件?奥氏体转变；C曲线与连续冷却；马氏体、贝氏体、珠光体组织；淬火与回火工艺选择。机械工程材料课程教学演示大纲本章内容结构1/30本章导学图4-

1热处理工艺曲线/章节示意图机械工程材料(第2版)学习重点与难点：(后续补图)学习目标：核心问题：图4-12片状珠光体形成示意图(后续补图)图4-14托氏体显微组织(后续补图)图4-13索氏体显微组织(后续补图)小结提示：组织越细，通常综合性能越优。4.1

珠光体类组织的形成与性能片层间距越小，相界面越多，强度和硬度越高；同时细薄渗碳体更易协调变形，塑性和韧性也可有所提高。随过冷度增大，片层间距减小，珠光体逐渐细化，依次可得到珠光体、索氏体、托氏体。珠光体片层较粗；索氏体更细；托氏体极细，常需更高放大倍数观察。奥氏体在较2高等温温度下发生扩散型相变，最终形成铁素体与渗碳体片层相间的珠光体。8/30珠光体、索氏体、托氏体知识要点机械工程材料(第2版)组织细化规律：显微识别要点：珠光体转变：性能变化：②③④①图4-6加热速度对奥氏体形成的影响(后续补图)图4-5共析钢奥氏体形成过程示意图(后续补图)保温不仅为了“热透”,更为了获得成分均匀的奥氏体。教学结论4.1

奥氏体的形成过程随着铁、碳原子扩散，相邻铁素体晶格改组为奥氏体晶格，奥氏体不断长大。残余渗碳体完全溶解后，奥氏体中碳浓度仍不均匀；当铁素体基本消失后，仍有部分渗碳体未溶解；加热温度越高、加热速度越快，形成速度越快；原始组织越细，相界面越多，奥氏体形成越快。1

奥氏体晶核的形成和长大：奥氏体优先在铁素体与渗碳体相界面处形核；3

奥氏体成分均匀化：继续保温后，残余渗碳体逐渐溶入奥氏体。4/304

影响奥氏体形成的因素：继续保温依靠碳扩散使成分均匀。形成阶段与影响因素2

残余渗碳体溶解：机

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2

版

)图4-15上贝氏体组织示意/显微组织

(后续补图)图4-16下贝氏体组织示意图

(后续补图)图4-17下贝氏体(后续补图)显微组织上贝氏体实用价值较低；下贝氏体是重要强化组织。小结4.1

贝氏体转变及其组织性能下贝氏体——形成温度较低，常呈针片状或竹叶状，碳化物细小弥散，综合力学性能优良。上贝氏体——形成温度较高，常呈羽毛状，脆性较大；过冷奥氏体在珠光体区与马氏体区之间的温度范围内转变，可形成贝氏体。下贝氏体具有较高强度、硬度和较好的

塑韧性配合，常通过贝氏体等温淬火获得。贝氏体转变属于半扩散型相变，碳原子可扩散而铁原子基本不扩散。9/30上贝氏体与下贝氏体机械工程材料(第2版)贝氏体转变温区组织分类工程认识相变特点1图4-4

加热与冷却时相变点偏移示意(后续补图)图4-3钢的相变点在Fe-Fe3C相图上的位置(后续补图)4.1

钢在加热与冷却时的组织转变不要把平衡相图与实际冷却转变规律简单等同。课堂提醒：Fe-Fe3C相图中的Ac1

、Ac3

、Acm

表示平衡条件下的相变点；实际生产中加热和冷却并非极其缓慢，因此实际相变温度会偏离平衡相变点。加热时用Ac1

、Ac3

、Acm

的实际加热点

(Ac1/Ac3/Acm)表示；冷却时用

Ar1

、Ar3

、Arcm表示实际冷却相变点。将钢加热到Ac1

或

Ac3

以上以获得全部或部分奥氏体组织的操作称为奥氏体化，是后续热处理的组织基础。平衡相图说明最终可能组织；而热处理

工艺分析必须同时考虑时间与冷却速度。相变点、奥氏体化与实际转变温度3/30目本节导学机

械

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)实际相变点表示：奥氏体化概念：教学要点：基本认识：

图4-20

奥氏体含碳量对Ms、M及残余奥氏体量的影响(后续补图)图4-19片状马氏体与板条马氏体示意图(后续补图)4.1

连续冷却转变与马氏体本页为后续“退火一正火一淬火一回火”工艺分析的组织基础。高碳钢常形成片状马氏体，低碳钢常形成

板条马氏体；Ms、M受含碳量影响，

含碳量越高，

Ms、M越低，残余奥氏体

越多；为减少残余奥氏体，可采用冷处理。U

生产中奥氏体大多在连续冷却过程中转变；连续冷却转变曲线

(CCT曲线)用于分析

不同冷速下的组织演变。马氏体是过冷奥氏体在快速冷却条件下发生无扩散型转变所形成的碳在α-Fe

中的过饱和固溶体；硬度、强度高，但塑性韧性受碳含量影响显著。上临界冷却速度是获得全部马氏体组织的最小冷却速度；不同冷速可得到珠光体、托氏体、贝氏体、马氏体及其复相组织。CCT

曲线、马氏体及残余奥氏体10/30机械工程材料(第2版)图4-18共析钢连续冷却转变曲线组织形态与残余奥氏体：马氏体定义与特点：连续冷却转变曲线：临界冷却速度：(后续补图)理解热处理时，先看“目的”,再看“工艺路径”,最后看

“组织与性能结果”。教学提示第4章

钢的热处理①整体热处理——对工件整体穿透加热，常用退火、正火、淬火、回火；②表面热处理

—

—

仅处理表层，常用

感应淬火、火焰淬火；采用适当方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却，以获得预期组织结构与性能的工艺方法。·

提高使用性能；·

改善工艺性能；●为后续加工或服役创造良好组织状态。

机械工程材料(第2版)加热—保温—冷却，通常用热处理工艺曲线表示。4.1热处理基本概念与分类化学热处理——改变表层化学成分与组织，常用渗碳、渗氮、碳氮共渗。热处理的定义、目的与基本类型2/30目本节导学图4-2热处理分类示意图(后续补图)图4-1热处理工艺曲线(后续补图)共同工艺阶段热处理作用热处理定义三类热处理温度个、时间个→

晶粒长大；细化晶粒常依靠快热短保温。记忆点图4-8合金元素对晶粒长大影响示意(后续补图)图4-7奥氏体晶粒长大倾向示意图(后续补图)4.1奥氏体晶粒长大及其影响因素有些钢随温度升高晶粒迅速长大，称本质粗晶粒钢；有些钢晶粒不易长大，超过一定温度后才突然长大，称本质细晶粒钢。工程中通常优先选用本质细晶粒钢。指钢加热到临界点以上某一温度并保温后所得奥氏体晶粒大小，直接影响冷却后钢的组织与性能。细晶粒通常有利于提高强韧性、减小热处理后组织粗化倾向。多数合金元素可阻碍晶粒长大，

Cr、Mo

、W

、V等作用明显，

Mn

、P则可能促进长大。晶粒度、粗细晶粒钢与工艺控制A5/30本质粗晶粒钢与本质细昌粒钢：机

械

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)加热温度越高、保温时间越长，晶粒越粗大；快速高温短时加热有利于细化晶粒；奥氏体晶粒度：工程意义：D影响因素：CB图4-10共析钢过冷奥氏体等温转变曲线(C曲线)(后续补图)4.1

过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体等温转变曲线是表示温度一时间一转变量三者关系的曲线，因形状类似字母C,

又称

C曲线或

TTT曲线。左侧为转变开始线，右侧为转变终止线；上方为奥氏体稳定区；两曲线之间为共存区；终止线右侧为转变产物区。读图时要同时看“温度位置、时间位置、与曲线交点”,不能只看一个因素。C

曲线(TTT

曲线)的组成与判读7/30C曲线区域判读示意(后续补图)Ms

为马氏体开始温度，

Mf

为马氏体终了温度；从等温开始到转变开始之间的时间称为孕育期；机

械

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)在鼻尖处孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定。淬火到室温后仍可能残留奥氏体。冷却分析的关键区域。教学要点：鼻尖位置对应临界课堂提醒曲线组成：Ms与

Mf:孕育期：图4-

112图4

-

9

等温冷却曲线与连续冷却曲线(后续补图)表4

-

1

不同冷却方式下的组织与性能比较(后续补表)4.1

过冷奥氏体与冷却方式教学提示

冷却速度决定组织类型，是热处理分析的主线之一。①等温冷却转变——迅速冷到某一温度保温，研究过冷奥氏体在恒温下的转变；②连续冷却转变——按一定冷速连续降温，研究实际热处理中的组织演变。理解冷却路径，是连接“工艺参数”与“最终组织”的关键。过冷到共析温度以下才开始转变；在共析温度以下暂时存在的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体。同一种钢在炉冷、空冷、油冷、水冷等条件下，可得到不同组织和力学性能。

机械工程材料(第2版)②

不同冷却方式得到不同组织等温冷却与连续冷却的基本概念6/30①

过冷奥氏体定义本章要点奥氏体化后的钢采用较快冷却时，奥氏体常被两种研究方式学习意义图4-21完全退火工艺曲线(后续补图)图4-22完全退火前后组织对比(后续补图)教学提示：退火的核心是“缓冷”,目标是接近平衡组织。4.2钢的退火适用于亚共析钢，加热到A

c3以上30~50℃,保温后炉冷，获得均匀细珠光体。完全退火常用于铸件、锻件及焊接件预处理。将钢加热到适当温度，保温后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织。降低硬度、改善塑性、细化组织、消除内应力、改善切削加工性。退火的目的、基本工艺与完全退火

机

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)11/30眼本节导学退火目的工程说明退火定义完全退火选用退火工艺时，应根据钢种、原始组织和后续加工要求综合确定。4.2其他常用退火工艺等温退火、球化退火、去应力退火与扩散退火加热奥氏体化后较快冷至珠光体转变温区保温，再空冷；组织均匀，周期较短。主要用于共析钢和过共析钢，使片状渗碳体球化，便于切削并改善后续淬火组织。高温长时间保温，减少成分偏析，但能耗高、晶粒易粗化。在较低温度保温后缓冷，主要消除铸造、焊接、冷变形引起的残余应力。

机械工程材料(第2版)12/30目本节导学表4-2

常用退火工艺特点比较(后续补表)图4-23球化退火组织示意(后续补图)图4-24

去应力退火示意图(后续补图)去应力退火等温退火球化退火扩散退火D图4-25正火工艺曲线(后续补图)图4-26正火前后组织对比(后续补图)课堂提示正火冷却比退火快，

因此组织更细、强度

更高。4.2钢的正火细化晶粒、改善组织不均、消除网状渗碳体、为淬火作组织准备。冷速较快，获得更细的珠光体组织，强度和硬度高于退火，塑性略低。将钢加热到Ac3或Acm以上30~50℃,保温后在空气中冷却。中低碳结构钢、铸件、锻件和焊件常采用正火作为预备热处理。

机

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)正火工艺、

组织特征与应用13/30知识要点①

正火定义与退火比较工程应用主要作用图4-27

退火与正火组织性能对比示意(后续补图)表4-3

退火与正火工艺比较(后续补表)一般为Ac3

以上30～50℃。在空气中冷却。细化的珠光体+铁素体或细珠光体组织。硬度、强度和韧性均较高，组织均匀，综合力学性能优于退火。细化晶粒，改善力学性能，消除铸造、锻造或焊接后的粗大组织。选择原则：当要求降低硬度、改善切削加工性时多用退火；当要求细化晶粒、提高综合性能时多用正火。4.2退火与正火的比较及选用正火加热温度范围：冷却方式：获得组织：性

能

：典型用途：工艺差异、组织性能与工程选择14/30获得组织：接近平衡的粗大组织，如珠光体+铁素体。性

能：硬度低，塑性、韧性高，内应力小，典型用途：

消除内应力，降低硬度，改善切削加工性，加热温度范围：

一般为Ac1以下30～50℃或更高。机

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第

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版

)退火冷却方式：

随炉缓冷。为后续加工或成形做准备。切削加工性好。图4-28淬火工艺曲线(后续补图)图4-30淬火组织示意图(后续补图)图4-29常用淬火介质冷却能力比较(后续补图)教学提示：淬火的关键矛盾是“淬硬能力”与“变形开裂倾向”之间的平衡。将钢加热奥氏体化后，以大于临界冷却速度的速度冷却，获得马氏体或以马氏体为主的组织；4.3钢的淬火淬火加热温度通常为Ac3或Ac1

以上适当温度，保温应保证奥氏体化而不过热；水、盐水、油、空气等，冷却能力和变形开裂倾向不同。淬火原理、加热条件与冷却介质

机械工程材料(第2版)15/30知识要点显著提高硬度、强度和耐磨性；加热条件淬火目的冷却介质淬火定义工程上常通过改进冷却路径来兼顾淬硬效果与变形控制。4.3常用淬火方法先在冷却能力大的介质中快冷，再转入较缓介质中冷却，

可减小应力。单液淬火、双液淬火、分级淬火与等温淬火在贝氏体转变温区保温，获得贝氏体组织，

综合力学性能较好。在Ms以上盐浴中短暂停留后空冷，降低变形和开裂倾向。

机械工程材料(第2版)16/30工艺简单，应用广，但应力较大。知识要点图4-33

分级淬火示意(后续补图)图4-31单液淬火示意(后续补图)图4-32

双液淬火示意(后续补图)图4-34

等温淬火示意(后续补图)单液淬火——双液淬火

分级淬火——等温淬火—表4-4

合金元素对淬透性的影响(后续补表)4.3钢的淬透性化学成分、奥氏体晶粒大小、原始组织和合金元素；其中Mn、Cr、Ni、Mo、B等通常提高淬透性。淬透性≠硬度；前者反映淬硬深度能力，后者反映表面抗变形能力。关系到大截面零件能否淬透以及芯部性能。钢在规定条件下淬火时获得马氏体层深度的能力。

机械工程材料(第2版)概念、影响因素与端淬试验17/30知识要点图4-35

钢的淬透性示意图(后续补图)常用末端淬火试验(端淬试验)评价。端淬试验装置示意(后续补图)淬透性定义：工程意义：影响因素：记忆提示评价方法：图4-36图4-37

回火工艺曲线(后续补图)图4-39

回火温度对硬度影响曲线(后续补图)图4-38

低中高温回火组织示意(后续补图)课堂提示：回火不是降低性能，而是使淬火后组织达到更稳定、更可用的状态。4.3钢的回火将淬火钢加热到

Ac1以下某一温度，保温后冷却，以获得稳定组织并消除淬火应力。150~250℃,主要得到回火马氏体，保持高硬度和耐磨性。500～650℃,得到回火索氏体，强韧性配合好。350~500℃,得到回火托氏体，兼有较高弹性与强度。回火目的、分类与组织性能变化

机

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)18/30知识要点高温回火回火定义中温回火低温回火图4-42

回火索氏体组织(后续补图)图4-41回火托氏体组织(后续补图)调质处理=淬火+高温回火，是机械制造中最常见的强化与韧化工艺之一。回火索氏体——高温回火所得，综合力学性能最好，

常作为“调质处理”后的典型组织，常用于轴、连杆、齿轮等。4.3回火后组织及性能回火托氏体——中温回火所得，强度与弹性较高，

常用于弹簧；常用于刀具和量具；图4-40

回火马氏体组织(后续补图)A

回火马氏体——低温回火所得，回火马氏体、回火托氏体与回火索氏体

机械工程材料(第2版)19/30硬度高、耐磨性好，C表4

-

5

淬火与回火典型工艺组合(后续补表)图4-44

典型机械零件热处理应用(后续补图)图4-43

调质处理性能变化示意(后续补图)阶段小结：4.2—4.3围绕“退火一正火一淬火一回火”构建钢热处理的核心工艺体系。4.3淬火与回火工艺选用典型应用——工具零件重视硬度与耐磨性，弹簧重视弹性，轴类齿轮多采用调质处理。工艺组合选择应综合考虑钢种、

零件尺寸、受力状态和服役要求；回火用于消除应力、稳定组织、改善韧性；性能目标、典型组合与工程应用

机械工程材料(第2版)20/30淬火用于获得高硬度、高强度组织基础；①②知识要点③图4-21完全退火工艺曲线(后续补图)图4-22完全退火前后组织对比(后续补图)教学提示：退火的核心是“缓冷”,目标是接近平衡组织。4.2钢的退火适用于亚共析钢，加热到A

c3以上30~50℃,保温后炉冷，获得均匀细珠光体。完全退火常用于铸件、锻件及焊接件预处理。将钢加热到适当温度，保温后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织。降低硬度、改善塑性、细化组织、消除内应力、改善切削加工性。退火的目的、基本工艺与完全退火

机

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)11/30眼本节导学退火目的工程说明退火定义完全退火选用退火工艺时，应根据钢种、原始组织和后续加工要求综合确定。4.2其他常用退火工艺等温退火、球化退火、去应力退火与扩散退火加热奥氏体化后较快冷至珠光体转变温区保温，再空冷；组织均匀，周期较短。主要用于共析钢和过共析钢，使片状渗碳体球化，便于切削并改善后续淬火组织。高温长时间保温，减少成分偏析，但能耗高、晶粒易粗化。在较低温度保温后缓冷，主要消除铸造、焊接、冷变形引起的残余应力。

机械工程材料(第2版)12/30目本节导学表4-2

常用退火工艺特点比较(后续补表)图4-23球化退火组织示意(后续补图)图4-24

去应力退火示意图(后续补图)去应力退火等温退火球化退火扩散退火D图4-25正火工艺曲线(后续补图)图4-26正火前后组织对比(后续补图)课堂提示正火冷却比退火快，

因此组织更细、强度

更高。4.2钢的正火细化晶粒、改善组织不均、消除网状渗碳体、为淬火作组织准备。冷速较快，获得更细的珠光体组织，强度和硬度高于退火，塑性略低。将钢加热到Ac3或Acm以上30~50℃,保温后在空气中冷却。中低碳结构钢、铸件、锻件和焊件常采用正火作为预备热处理。

机

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)正火工艺、

组织特征与应用13/30知识要点①

正火定义与退火比较工程应用主要作用图4-27

退火与正火组织性能对比示意(后续补图)表4-3

退火与正火工艺比较(后续补表)一般为Ac3

以上30～50℃。在空气中冷却。细化的珠光体+铁素体或细珠光体组织。硬度、强度和韧性均较高，组织均匀，综合力学性能优于退火。细化晶粒，改善力学性能，消除铸造、锻造或焊接后的粗大组织。选择原则：当要求降低硬度、改善切削加工性时多用退火；当要求细化晶粒、提高综合性能时多用正火。4.2退火与正火的比较及选用正火加热温度范围：冷却方式：获得组织：性

能

：典型用途：工艺差异、组织性能与工程选择14/30获得组织：接近平衡的粗大组织，如珠光体+铁素体。性

能：硬度低，塑性、韧性高，内应力小，典型用途：

消除内应力，降低硬度，改善切削加工性，加热温度范围：

一般为Ac1以下30～50℃或更高。机

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2

版

)退火冷却方式：

随炉缓冷。为后续加工或成形做准备。切削加工性好。图4-28淬火工艺曲线(后续补图)图4-30淬火组织示意图(后续补图)图4-29常用淬火介质冷却能力比较(后续补图)教学提示：淬火的关键矛盾是“淬硬能力”与“变形开裂倾向”之间的平衡。将钢加热奥氏体化后，以大于临界冷却速度的速度冷却，获得马氏体或以马氏体为主的组织；4.3钢的淬火淬火加热温度通常为Ac3或Ac1

以上适当温度，保温应保证奥氏体化而不过热；水、盐水、油、空气等，冷却能力和变形开裂倾向不同。淬火原理、加热条件与冷却介质

机械工程材料(第2版)15/30知识要点显著提高硬度、强度和耐磨性；加热条件淬火目的冷却介质淬火定义工程上常通过改进冷却路径来兼顾淬硬效果与变形控制。4.3常用淬火方法先在冷却能力大的介质中快冷，再转入较缓介质中冷却，

可减小应力。单液淬火、双液淬火、分级淬火与等温淬火在贝氏体转变温区保温，获得贝氏体组织，

综合力学性能较好。在Ms以上盐浴中短暂停留后空冷，降低变形和开裂倾向。

机械工程材料(第2版)16/30工艺简单，应用广，但应力较大。知识要点图4-33

分级淬火示意(后续补图)图4-31单液淬火示意(后续补图)图4-32

双液淬火示意(后续补图)图4-34

等温淬火示意(后续补图)单液淬火——双液淬火

分级淬火——等温淬火—表4-4

合金元素对淬透性的影响(后续补表)4.3钢的淬透性化学成分、奥氏体晶粒大小、原始组织和合金元素；其中Mn、Cr、Ni、Mo、B等通常提高淬透性。淬透性≠硬度；前者反映淬硬深度能力，后者反映表面抗变形能力。关系到大截面零件能否淬透以及芯部性能。钢在规定条件下淬火时获得马氏体层深度的能力。

机械