钢经加热保温获得奥氏体后，冷却至A1 温度以下时，过冷奥氏体将发生组织转变。铁碳合金相图虽然解释了在缓慢加热或冷却条件下钢的成分、组织和性能之间的变化情况，但不能表示实际热处理冷却条件下钢的组织变化规律。在实际热处理冷却条件下，钢的组织结构还会发生一系列不同的变化。

钢在不同的冷却条件下进行冷却可以获得不同的力学性能。45 钢加热到840 ℃，经不同条件冷却后的力学性能见表4 -1。所以，冷却过程是热处理的关键工序，对钢的使用性能起着决定性的作用。

表4-1　45 钢经不同条件冷却后的力学性能

在热处理工艺中，钢奥氏体化后通常有两种冷却方式。一种是连续冷却，即奥氏体化后的钢从高温冷却到室温。在连续冷却条件下发生组织转变，如图4 -7 曲线2 所示； 另一种是等温冷却，即奥氏体化后迅速冷却到A1 以下某一温度等温，使奥氏体在此温度发生组织转变，如图4 -7 曲线1 所示。

图4-7　连续冷却曲线和等温冷却曲线

1.共析钢过冷奥氏体等温转变曲线

奥氏体冷却到临界点A1 以下处于不稳定状态，极易发生分解，但并不是冷却到A1 以下温度立即发生转变。在共析温度下尚未转变的奥氏体称为过冷奥氏体。

过冷奥氏体在不同温度下转变成不同的组织。用来表示过冷奥氏体的转变温度、转变时间与转变产物之间关系的曲线图称为过冷奥氏体等温转变图，如图4 -8 所示。这一曲线称为过冷奥氏体等温转变曲线，由于其形状类似“C”，故称为C 曲线，也称为TTT 曲线。

图4-8　共析钢过冷奥氏体等温转变曲线

过冷奥氏体等温转变图是用实验方法测得并建立的。将共析钢加工成若干个φ10 mm ×1.5 mm 的圆片状薄试样，并分成几组，将各组试样在相同条件下加热，保温一段时间（通常为10 ～15 min） 使其转变为均匀的奥氏体； 再将各组试样迅速冷却到A1 点以下后在不同温度（700 ℃、600 ℃、550 ℃、450 ℃） 的盐浴中保温，隔一段时间取出一组试样，测出开始转变时间和终了转变时间。一般把奥氏体转变1% ～3%所需时间视为开始转变时间，把转变95% ～98%所需时间视为终了转变时间。

2.共析钢等温转变产物及性能

过冷奥氏体在A1 以下Ms 以上不同温度等温冷却，其转变产物不同。根据产物形态可分为两种类型转变： 珠光体型转变、贝氏体型转变。

1） 珠光体型转变

在A1 ～550 ℃，奥氏体等温分解为铁素体和渗碳体的片层状混合物，称为珠光体型组织。在A1 ～550 ℃，转变温度越低，过冷度越大，形成的珠光体片越薄。根据形成珠光体片层间距大小不同，分别得到不同的组织。在A1 ～650 ℃形成粗片层状的F 与Fe3C 的混合物称为珠光体； 在650 ℃～600 ℃形成细片状F 与Fe3C 的混合物称为索氏体； 在600 ℃～550 ℃形成极细的片层状F 与Fe3C 的混合物称为托氏体。三种组织分别用符号P、S、T 表示，如图4 -8 所示，用光学显微镜分辨不出片层。在A1 ～550 ℃，形成的产物性能主要取决于片间距大小，片间距越小，塑性变形抗力越大，强度、硬度越高。在A1 ～550 ℃时奥氏体向珠光体转变，也是形核和长大的过程，是靠铁、碳原子扩散进行的，所以珠光体型转变是扩散型相变。

2） 贝氏体型转变

在550 ℃～Ms 内，由于转变温度低，故原子的活动能力较弱。过冷奥氏体虽然仍分解铁素体和渗碳体的混合物，但由于过冷度增大，铁素体中溶解的碳已超过正常的溶解度，转变后得到具有一定饱和度的铁素体和分散的渗碳体的混合物，称为贝氏体，用符号B 表示。

在550 ℃～350 ℃内形成的贝氏体在显微镜下呈羽毛状，如图4 -9 （a） 所示，称为上贝氏体，用符号B上表示。上贝氏体中渗碳体以不连续的细条状分布于平行排列的铁素体片层之间，其硬度为40 ～45 HRC，但塑性差。在350 ℃～Ms 内形成的贝氏体，碳化物呈细小颗粒状或短杆状，均匀分布在针叶状的铁素体内，在显微镜下呈黑色针状组织，如图4 -9（b） 所示，称为下贝氏体，用符号B下表示。下贝氏体硬度可达45 ～55 HRC，且强度、塑性、韧性均高于上贝氏体，所以下贝氏体组织在生产上得到了广泛应用。

图4-9　贝氏体显微组织

（a） 上贝氏体； （b） 下贝氏体

贝氏体转变是形核和长大的过程，需要一定的孕育期。通常上贝氏体长大速度取决于碳在奥氏体中的扩散速度，而下贝氏体的转变速度取决于碳在铁素体中的扩散速度。贝氏体转变速度比马氏体转变速度慢，奥氏体向铁素体的晶格改组是通过切变方式进行的。新相铁素体和母相奥氏体保持一定的位向关系，贝氏体也是通过切变结构转变而形成的。贝氏体转变是半扩散型相变。

在350 ℃～Ms，由于转变温度低，碳原子在奥氏体中扩散更加困难，而碳原子在铁素体中的扩散仍可以进行。因而碳原子只能在铁素体某些特定面上偏聚，进而沉淀出碳化物，得到针状下贝氏体。

共析钢过冷奥氏体转变温度与转变产物的组织和力学性能见表4 -2。

表4-2　共析钢过冷奥氏体转变温度与转变产物的组织和力学性能

3） 马氏体转变

马氏体转变是在连续冷却条件下进行的。当钢从奥氏体急冷至Ms 温度以下时，极大的过冷度使奥氏体中的碳原子无扩散能力，此时奥氏体的γ -Fe 晶格直接转变成α -Fe 的体心立方晶格，即发生了晶格改组（γ-Fe→α-Fe），奥氏体中过多的碳原子被挤在α-Fe 的晶格中，使晶格歪曲，产生畸变，形成碳在α -Fe 中过饱和的固溶体，称为马氏体，用符号M 表示。

奥氏体向马氏体转变与珠光体和贝氏体转变有着根本的区别。马氏体转变是非扩散型相变，在马氏体转变过程中，只有晶格改变，而不发生碳原子的扩散，固溶在奥氏体中的碳原封不动地保留在铁的晶格中，形成过饱和的α-Fe 晶格。

转变是在一定温度范围内（Ms ～Mf） 连续冷却过程中进行的。马氏体转变数量随温度的下降而不断增加，如冷却在中途停止，则奥氏体向马氏体转变也停止。奥氏体向马氏体转变时，体积发生膨胀，因而产生内应力，转变不能进行到底，即使过冷到Mf 以下，也不能获得100%的马氏体，总有未转变的奥氏体被保留下来，这部分奥氏体称为残留奥氏体，用A残或A′表示。马氏体的形成也是形核和长大的过程，但形成速度极快。马氏体转变是非扩散型相变。

马氏体的显微组织如图4 -10 所示。含碳量大于1.0%的马氏体，其断面形状呈针状，称为针状马氏体（或称为竹叶状马氏体），其性能特点是硬度高而脆性大。钢中含碳量低于0.2%的马氏体，其形状为一束束相互平行的细条，故称为板条状马氏体。板条状马氏体的性能特点是具有较高的强度及良好的韧性。

图4-10　马氏体的显微组织(www.daowen.com)

（a） 针状马氏体； （b） 板条状马氏体

马氏体的硬度主要取决于马氏体中的含碳量。马氏体中由于溶入过多的碳，而使α -Fe晶格发生畸变，增加了塑性变形抗力。马氏体的含碳量越高，其硬度也越高，但当钢中含碳量大于0.6%时，淬火钢的硬度增加很慢。

随着温度降低，马氏体量不断增加。而实际进行马氏体转变的淬火处理时，冷却只进行到室温，这时奥氏体不能全部转变为马氏体，还有少量的奥氏体未发生转变而残留下来，称为残留奥氏体。过多的残留奥氏体会降低钢的强度、硬度和耐磨性，而且因残留奥氏体为不稳定组织，在钢件使用过程中易发生转变而导致工件产生内应力，引起变形、尺寸变化，从而降低工件精度。因此，生产中对于硬度要求高或精度要求高的工件，淬火后常被迅速置于接近Mf 的温度下，促使残余奥氏体进一步转变成马氏体，这一工艺过程称为“冷处理”。

综上所述，马氏体的转变有以下特点。

（1） 过冷奥氏体转变为马氏体是一种非扩散型转变。

（2） 马氏体的形成速度很快，无孕育期，是一个连续冷却的转变过程。

（3） 马氏体转变是不彻底的，总要残留少量奥氏体。

（4） 形成马氏体时体积膨胀，在钢中造成很大的内应力，严重时导致开裂。

亚共析钢和过共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线与共析钢的奥氏体等温转变曲线相比，它们的等温转变曲线分别多出一条先析铁素体析出线或先析渗碳体析出线，如图4 -11所示。

等温转变图的形状和位置不仅对奥氏体等温转变速度及转变产物的性质的研究具有十分重要的意义，同时对钢的热处理方法及淬透性等问题的考虑也有指导性的作用。

影响等温转变图形状和位置的因素主要有以下几种。

（1） 碳的影响。在正常加热条件下，亚共析钢的等温转变图随着含碳量的增加向右移；过共析钢的等温转变图随着含碳量的增加向左移。在碳钢中共析钢的等温转变图离纵轴最远，过冷奥氏体最稳定。图4 -11 所示为亚共析钢、共析钢、过共析钢的等温转变图比较。

（2） 合金元素的影响。除了钴以外，所有合金元素溶入奥氏体后都增大其稳定性，使等温转变图右移。碳化物形成元素含量较多，使等温转变图的形状也发生变化，可能出现两种曲线，并使Ms 线下降，如图4 -12 所示。

图4-11　亚共析钢、共析钢、过共析钢的等温转变图比较

（a） 亚共析钢； （b） 共析钢； （c） 过共析钢
P—珠光体； S—索氏体； T—托氏体； B—贝氏体； M—马氏体； A—奥氏体

图4-12　合金元素对等温转变图的影响

（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，过冷奥氏体的稳定性增加，使等温转变图右移。

3.过冷奥氏体连续冷却转变曲线

在热处理生产中，钢被加热后的冷却方式大多采用连续冷却，此时奥氏体转变是在连续不断的降温过程中完成的，要测定其连续冷却转变曲线比较困难。在生产中，常用相应的等温转变曲线来定性分析连续冷却转变所得到的产物与性能，如图4 -12 所示。

在图4 -13 中，v1、v2、v3、v4 分别表示不同速度的冷却曲线，它们的关系是v1 ＜v2 ＜v3 ＜v4。根据这些冷却曲线与等温转变曲线相交的温度区间，就可定性地确定它们在连续冷却时的转变产物与性能。

v1 相当于炉冷（退火），它与等温转变曲线相交的温度区间为700 ℃～650 ℃，转变后产物为珠光体，硬度为170 ～220 HBS。

v2 相当于空冷（正火），它与等温转变曲线相交的温度区间为650 ℃～600 ℃，转变后产物为索氏体，硬度为25 ～35 HRC。

v3 相当于油冷（淬火），它与等温转变曲线的奥氏体转变开始线相交于600 ℃～550 ℃，部分奥氏体转变为屈氏体，但未与转变终止线相交。当温度继续下降时又与Ms 线相交，表示剩余奥氏体开始转变为马氏体。其转变后的产物为马氏体和屈氏体的混合组织，硬度为45 ～55 HRC。

图4-13　在共析钢等温转变曲线上估计连续冷却后过冷奥氏体转变产物

v4 相当于水冷（淬火），它不与等温转变曲线相交而直接过冷到Ms 线以下转变为马氏体，转变后的产物为马氏体+少量的残留奥氏体，硬度为60 ～65 HRC。

图4 -13 中vk 与C 曲线的“鼻子” 相切，称为临界冷却速度，它是奥氏体向马氏体转变的最小冷却速度。

综上所述，钢的C 曲线反映了过冷奥氏体在等温冷却或连续冷却条件下组织转变的规律。它对正确制定热处理工艺、分析热处理后的组织与性能及合理选材都有重要的指导意义。

任务回顾

铁素体是铁碳合金相图中重要的一种相，马氏体是过冷奥氏体在进行等温转变时的低温转变产物，这两者在晶体结构和性能上有何异同点？

任务实施

铁素体和马氏体都是碳在α -Fe 中形成的间隙固溶体，所以它们的晶体结构与α -Fe的晶体结构相同，都属于体心立方。所不同的是，铁素体是在平衡条件下得到的非饱和的固溶体，而马氏体属于非扩散转变即非平衡状态产物，所以马氏体是过饱和固溶体，由于其处于过饱和状态使晶格发生更为严重的畸变，位错强化明显，因此马氏体的硬度要远远高于铁素体，但其塑、韧性要比铁素体差。