热处理之所以能够改变一些金属的性能，是因为这些金属材料在加热和冷却过程中存在着组织结构或溶解度的变化。钢的热处理就是遵循了这样的规律，而铅、锡等一些纯金属或合金便由于不具备这一条件而不能由热处理来改变其性能。

（一）钢在加热时的转变

由Fe-Fe3C相图得知，A1、A3、Acm是碳钢在极缓慢地加热或冷却时的组织转变温度，因此A1、A3和Acm点都是组织平衡临界点。但在实际生产中，加热和冷却并不是极缓慢的，因此不可能在平衡临界点进行组织转变。由图6-14可知，实际加热时各临界点的位置分别为图中的Ac1、Ac3、Accm线，而实际冷却时各临界点的位置分别为 Ar1、Ar3、Arcm。

钢进行热处理时首先要加热，任何成分的碳钢加热到A1点以上时，其组织都要发生珠光体向奥氏体的转变，这种转变称为奥氏体化。奥氏体化后的钢，以不同的冷却方式进行冷却时，便可得到不同的组织，从而使钢获得不同的性能。因此奥氏体化是钢的组织转变的基本条件。

以共析钢为例，在A1点以下其组织全部为珠光体，是铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物，因此珠光体向奥氏体的转变必然进行晶格的改组和铁、碳原子的扩散，属于扩散型转变，其形成过程遵循结晶过程的一般规律，即由形核与长大过程来实现，奥氏体形成过程如下：

当钢加热到略高于Ac1时，奥氏体晶核形成并开始长大。它是依靠铁、碳原子的扩散，使其邻近的铁素体晶格改组为面心立方晶格的奥氏体和与其邻近的渗碳体不断溶入奥氏体而进行的。一直到铁素体全部转变为奥氏体为止，此时仍有部分渗碳体未溶解，随着保温时间延长，残余渗碳体不断溶入奥氏体，直至全部消失。这时奥氏体中碳浓度仍是不均匀的，必须有一段保温时间，通过碳原子的扩散才能获得均匀的奥氏体。

对于亚共析钢或过共析钢加热到Ac1以上，虽然珠光体会全部转变成奥氏体组织，但仍会残留有先析出的铁素体或先析出的二次渗碳体，因此，亚共析钢或过共析钢只有加热到Ac3或Accm以上时，才会获得单一的奥氏体组织。

由此可见，热处理时把钢加热到一定温度后，一定要保温一段时间，其目的不仅是使工件芯部达到与表面同样的温度，而且是获得成分均匀的奥氏体组织。

图6-14　碳素钢的临界点在Fe-Fe3C相图上的位置

（二）钢在冷却时的转变

钢通过加热和保温获得成分均匀细小的奥氏体组织并不是热处理的目的，仅是正确实施热处理的先决条件。热处理的目的是提高和改善钢的性能。实践证明，冷却过程是钢的热处理的关键工序，它决定着钢在室温下的组织和性能。如45钢制造的直径为15mm的轴，经840℃加热后，如在空气中冷却，其表面硬度为HB≤209；如在油中冷却，其表面硬度可达45HRC左右；如在水中冷却，其硬度则可达55HRC左右。可见，同样的钢虽然加热条件相同，但由于冷却条件不同，使它们在性能上有明显差别。究其原因就是冷却后转变所获得的组织不同造成的，因此了解奥氏体在冷却过程中的变化规律是掌握热处理理论的关键所在。

在热处理工艺中，奥氏体的冷却过程常采用等温冷却和连续冷却两种冷却方式。

1.过冷奥氏体的等温转变

钢在A1以上温度时奥氏体是稳定的相，当冷却到临界温度A1以下时奥氏体是不稳定的，必定发生转变。在A1温度以下暂时存在的、处于不稳定状态的奥氏体称为“过冷奥氏体”。

将高温奥氏体迅速冷却到低于A1的某一温度，并保持恒温，让过冷奥氏体在此温度完成其转变的过程，称为过冷奥氏体的等温转变。

过冷奥氏体在不同温度进行等温转变，将获得不同的组织和性能。全面表示过冷奥氏体的等温转变温度与转变产物之间关系的曲线，称为过冷奥氏体等温转变曲线，如图6-15所示。由于曲线的形状与“C”字相似，故过冷奥氏体等温转变曲线又简称为C曲线。根据英文名称（Time，Temperature，Transform）字头，它也称为 TTT曲线。

图6-15　共析钢过冷奥氏体等温转变曲线

图6-15中A1线以上是奥氏体稳定区域，A1线以下转变开始线以左的区域奥氏体处于不稳定状态，称为过冷奥氏体。过冷奥氏体经过一段时间孕育期（以转变开始线与纵坐标轴之间的距离来表示）后将发生转变，不同温度下等温转变所需的孕育期是不同的。随转变温度降低，孕育期先逐渐缩短，然后又逐渐变长，在550℃左右孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定，它的转变速度最快，称为C曲线的“鼻尖”。A1以下，转变终止线以右的区域为转变产物区，在转变开始线和转变终止线之间的区域为过冷奥氏体和转变产物的共存区。

图6-15中水平线Ms为马氏体转变开始温度，Mf为马氏体转变终止温度。按温度的高低和组织形态，过冷奥氏体的转变可以分为三种，550℃以上为珠光体转变，Ms线以下为马氏体转变，550℃到Ms点之间为贝氏体转变。

2.共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能

实验研究表明，过冷奥氏体转变的条件不同，所获得产物的组织形态和分散程度也不同，因而具有不同的力学性能。过冷奥氏体转变的类型、产物、组织结构和性能特点见表6-9。

表6-9　共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能

续表

过冷奥氏体的转变产物性能表明，过冷奥氏体的转变温度越低，产物的硬度越高。

在高温转变区域，随着转变温度的降低，珠光体片层间距减小，钢的硬度提高。同时钢的强度也有所提高，塑性略有改善。

在中温转变区域，贝氏体类组织有较高的硬度。上贝氏体的硬度为40～45HRC，下贝氏体的硬度为45～55HRC。但是，上贝氏体中铁素体片较宽，碳化物粗大，分布不均匀且位于铁素体片层间，所以它的脆性较大，基本上无实用价值。下贝氏体中的碳化物细小，分布均匀且位于针状铁素体内，针状铁素体有一定的过饱和度，因此，它具有较高的强度和硬度，同时也具有良好的韧性和塑性，是生产上希望获得的组织，如常采用等温淬火来获得下贝氏体组织。(www.daowen.com)

在低温转变区域，由于转变温度低，过冷度很大，此时铁原子和碳原子均已不能扩散，这一阶段的转变属于非扩散型转变。转变时，只进行γ-Fe向α-Fe晶格改组，γ-Fe中溶解的碳原子将全部被迫固溶于α-Fe的晶格中，这种碳在α-Fe中的过饱和固溶体组织称为马氏体，用字母“M”来表示。由于α-Fe中碳的过饱和程度很大，引起其晶格的畸变，体积增大，而且马氏体含碳量越大，晶格畸变越严重，体积效应越大。高硬度是马氏体组织力学性能的主要特点：其硬度主要受其含碳量的影响，随马氏体含碳量增加，其硬度也随之升高，脆性增大，原因是过饱和碳引起晶格畸变，固溶强化作用增强。此外，马氏体在转变过程中产生的大量晶体缺陷（如位错、孪晶等）和引起的组织细化，以及过饱和碳以弥散碳化物形式的析出都对马氏体的强化有不同程度的影响。合金元素的存在对钢中马氏体的硬度影响不大。马氏体强化是钢的主要强化手段之一，广泛应用于工业生产中。

马氏体转变主要特点：

（1）转变的不完全性——马氏体转变伴有比热容的明显变化，即马氏体形成时伴有体积膨胀，这将对尚未转变的奥氏体造成很大压力，阻碍其转变，使得部分奥氏体未能转变而被保留下来，这部分奥氏体称为残余奥氏体（A′）。

（2）具有转变开始点Ms和转变终了点Mf，随奥氏体中含碳量及合金元素（除Co）的增加，Ms及Mf点降低，例如当含碳量达到0.5%以上时，Mf点便下降至室温以下，使得残余奥氏体量增加。

（3）属于非扩散型转变，形成速度极快，且须在Ms～Mf范围内连续冷却马氏体转变才可进行。由于形成速度极快，产物之间产生冲击，加之晶格的畸变和较大的比容变化，使转变后的组织内应力大，易变形开裂。

3.影响过冷奥氏体等温转变曲线的因素

过冷奥氏体等温转变曲线的位置和形状不仅对转变速度及转变产物的性质具有十分重要的意义，同时对钢的热处理工艺有重要指导作用。

图6-16所示为亚共析碳钢、共析碳钢和过共析碳钢的过冷奥氏体等温转变曲线比较。由图可见，它们都具有奥氏体转变开始线与转变终止线，但在亚共析碳钢的过冷奥氏体等温转变曲线上多出一条先析出的铁素体线，在过共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线上多出一条二次渗碳体析出线，亚共析钢的过冷奥氏体在转变为珠光体前，要先析出铁素体。类似地，过共析钢的过冷奥氏体则要先析出渗碳体。

一切影响奥氏体稳定性和分解特性的因素都能影响过冷奥氏体的等温转变，从而改变过冷奥氏体等温转变曲线的位置和形状。过冷奥氏体等温转变曲线越靠右，说明过冷奥氏体越稳定而不易分解。

图6-16　亚共析钢、共析钢和过共析钢奥氏体等温转变图

（a）亚共析钢；（b）共析钢；（c）过共析钢

（1）含碳量的影响：在正常加热条件下，亚共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线随碳的含量增加向右移，而过共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线随碳的含量增加向左移，即钢中含碳量越接近共析成分，过冷奥氏体越稳定，过冷奥氏体等温转变曲线就越向右移。

（2）合金元素的影响：除钴以外，所有合金元素的溶入均能增大过冷奥氏体的稳定性，导致过冷奥氏体等温转变曲线右移。铬、钼、钨、钒、钛等合金元素，不仅使过冷奥氏体等温转变曲线右移，且在它们含量较多时，还会使过冷奥氏体等温转变曲线的形状发生变化，即珠光体转变与贝氏体转变均各自形成一个独立的过冷奥氏体等温转变曲线，二者之间出现一个奥氏体相当稳定的区域，如图6-17所示。

（3）加热温度和保温时间的影响：钢的加热转变温度越高，保温时间越长，奥氏体成分越均匀，晶粒越粗大，未溶碳化物质点就越少，这些均使过冷奥氏体稳定性增加，使过冷奥氏体等温转变曲线右移。

4.过冷奥氏体连续冷却转变

在实际热处理生产中，除了极少数采用等温转变外，奥氏体的转变大多是在连续冷却过程中进行的。这种连续转变的规律是用“连续冷却转变曲线”来表示的，又称为“CCT曲线”（ContinuousCoolingTransformation）。

共析钢连续冷却转变曲线如图6-18所示。它与过冷奥氏体等温转变曲线大体相同，但有两点主要区别：

图6-17　合金元素对碳钢C曲线的影响

图6-18　共析碳钢CCT曲线与TTT曲线比较图

（1）连续冷却转变曲线位于过冷奥氏体等温转变曲线右下方，即前者的珠光体转变稍滞后一些，转变温度也略低一些。

（2）在连续冷却转变曲线中没有过冷奥氏体过冷转变图的下半部分，即共析钢连续冷却条件下没有贝氏体转变。这是由于在连续冷却时，温度下降很快，即相应提供的转变时间小于实际孕育期。

由图6-18可以看出，凡冷却曲线碰到vk线，过冷奥氏体就不再发生珠光体转变，而一直保持到Ms点以下才转变为马氏体。vk称为连续冷却转变时的临界冷却速度，它是获得全部马氏体组织的最小冷却速度。钢的vk值越小，表明钢在淬火时越容易获得马氏体组织，即钢接受淬火的能力越大。

由于连续冷却转变曲线的测定比较困难，而当前过冷奥氏体等温转变曲线的资料又比较多，因此在实际生产中往往利用过冷奥氏体等温转变曲线来定性地、近似地分析连续冷却的转变过程。

图6-19就是在共析碳钢的过冷奥氏体等温转变曲线上估计连续冷却时的转变情况。图中冷却速度v1相当于随炉冷却的速度，根据它和过冷奥氏体等温转变曲线相交的位置，可估计出过冷奥氏体将转变为珠光体。冷却速度v2相当于在空气中冷却的速度，根据它和过冷奥氏体等温转变曲线相交的位置，可估计出它将转变为索氏体。冷却速度v3相当于它在油中淬火时的冷却速度，它与过冷奥氏体等温转变曲线相割于一条转变开始线，并且相割于550℃左右温度，但与转变终了线未相交，这表明先有一部分过冷奥氏体转变为屈氏体，剩余的过冷奥氏体冷却到Ms点以下变成马氏体，最终获得屈氏体与马氏体和残余奥氏体的混合组织。冷却速度v4相当于在水中冷却时的冷却速度，它不与过冷奥氏体等温转变曲线相交，一直过冷到Ms点以下开始转变为马氏体，得到马氏体和残余奥氏体的组织。冷却速度vk与过冷奥氏体等温转变曲线鼻尖相切，为该钢的临界冷却速度。

图6-19　过冷奥氏体等温转变图在连续冷却中的应用示意图