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铁碳相图IWE-1/2.9-111/15钢的冷却转变钢在室温时的组织与性能，不仅与加热时获得奥氏体的均匀化程度和晶粒大小有关，而且更重要的是与奥氏体在冷却时的组织转变有关。控制奥氏体在冷却时的转变过程是热处理的关键。图1奥氏体转变1过冷奥氏体等温转变（TTT曲线）1.1过冷奥氏体等温转变过程奥氏体在临界点A1以下是不稳定的，必定要发生转变，但并不是一冷到A1温度以下就立即发生转变，它在转变前需要一定的时间，这段时间称为孕育期。在A1温度以下暂时存在的处于不稳定状态的奥氏体被称为“过冷奥氏体”。奥氏体的等温转变，是将加热到奥氏体化的钢件冷至A1以下的某个温度，进行等温，在等温期间奥氏体所发生的相与组织的转变过程。图2共析钢过冷奥氏体等温转变图由共析钢的C曲线孕育期的长短随过冷度而变化。孕育期的长短反映出过冷奥氏体稳定性的大小。在孕育期最短处，过冷奥氏体最不稳定，转变最快，这里被称为C-曲线的“鼻子”。而在靠近A1点和Ms点的温度，过冷奥氏体比较稳定，因而孕育期较长，转变也很慢。在“鼻子”以上温度，转变速度要决定于自由能差∆F，而在“鼻子”以下温度，转变速度主要决定于扩散系数D。共析成分奥氏体在A1点以下会发生三种不同的转变：在C-曲线的“鼻子”以上部分，即A1～550℃之间，过冷奥氏体发生珠光体转变，转变产物使珠光体，这一温度区称为珠光体区。在C-曲线的“鼻子”以下部分，大约550℃～Ms点之间，过冷奥氏体发生贝氏体转变，转变产物是贝氏体，这一温度区称为贝氏体区。在Ms线以下，过冷奥氏体发生马氏体转变，转变产物为马氏体，这一温度区称为马氏体区。图3∆F和D对过冷奥氏体转变速度的影响过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能，以共析钢奥氏体等温转变为例：1.1.1珠光体型组织A1～550℃之间将发生奥氏体向珠光体转变，这一转变称之为高温转变。形成由层片状渗碳体和铁素体所组成的组织。过冷奥氏体转变温度越低，珠光体越细。在650～600℃范围内形成的珠光体称为细珠光体或索氏体，用“S”表示。600～550℃范围内形成的称之为极细珠光体或屈氏体，用符号“T”表示。珠光体的力学性能主要取决于片层间距，片层间距越小，塑性变形抗力越大，故强度、硬度越高。片层间距减小，塑性与韧性也有所改善。图4珠光体图示图5珠光体构造图图6左图珠光体断面的放大图图7共析钢奥氏体向珠光体等温转变过程示意图片状珠光体形成机理图8片状珠光体形成机理示意图粒状珠光体的形成在粒状珠光体中，渗碳体呈粒状分散在铁素体基体中。每个渗碳体颗粒都是独立形核、长大的粒状珠光体既可由过冷奥氏体直接分解而成，也可由片状珠光体球化而成，还可以由淬火组织回火而成。1.1.2贝氏体型组织共析成分的过冷奥氏体在C-曲线鼻尖至Ms线，即550～230℃范围内停留，便发生奥氏体向贝氏体的转变，这个转变称为中温转变。钢在等温淬火过程中发生的转变是贝氏体转变。贝氏体的组织贝氏体是由含碳过饱和的铁素体(α相)与碳化物组成的两相混合物。在中碳钢和高碳钢中，贝氏体具有两种典型形态：一种是羽毛状的“上贝氏体”，形成于550～350℃范围内，上贝氏体由过饱和铁素体与渗碳体组成。另一种是针片状的“下贝氏体”，形成于350℃～Ms范围内，下贝氏体由针叶状过饱和铁素体与分布在其上的细小渗碳体组成。在低碳钢和低碳、中碳合金钢中，会出现一种粒状贝氏体，它形成于中温区的最上部大约500℃以上的范围内。贝氏体的性能下贝氏体的性能最好，具有高的强度、高的韧性和高的耐磨性。由图9可以看出，越是靠近贝氏体区(中温区)上限温度形成的上贝氏体，韧性越差，强度越低。而在中温区下部形成的下贝氏体，强度、硬度、韧性都很高。生产中采用等温淬火，都是为了得到下贝氏体，以提高强韧性和耐磨性。一般地说，下贝氏体的性能比片状马氏体好，而上贝氏体的性能则不如条状马氏体。所以，低碳钢不适于等温淬火，中碳、高碳钢的等温淬火效果很好。下贝氏体与上贝氏体相比不仅有高的强度、硬度与耐磨性，而且具有良好的塑性和韧性。图9贝氏体构造图图10奥氏体→贝氏体转变图示过冷奥氏体等温转变产物的组织及硬度简要归纳如下表表1过冷奥氏体等温转变产物的组织及硬度组织名称符号形成温度范围（℃）纤维组织特征硬度（HRC）珠光体索氏体屈氏体上贝氏体下贝氏体PSTB上B下A1～650650～600600～550550～350350～Ms粗片状混合物细片状混合物极细片状混合物羽毛状黑色针状﹤2525～3535～4040～4545～55魏氏组织的形成在含碳小于0.6％的亚共析钢和含碳大于1.2％的过共析钢中，由高温较快冷却时，先共析的铁素体或者渗碳体便沿着奥氏体的一定晶面呈针片状析出，由晶界插入晶粒内部，如图11所示。这种组织最先是在陨石中发现的，现在就以它的发现者命名，叫做魏氏组织。魏氏组织是一种过热缺陷，对性能的影响很坏。因为，魏氏组织铁素体或渗碳体的针片横七竖八地割裂了钢的基体，形成许多脆弱面，所以使强度降低而脆性增大。因此，比较重要的工件都要对魏氏组织进行金相检验和评级。实际生产中遇到的都是铁素体的魏氏组织，很少遇到渗碳体的魏氏组织。冶金部标准(YB31－64)将铁素体魏氏组织分为0～5共六级。0～2级的魏氏组织比较轻微，对于不太重要的零件尚可使用。3～5级魏氏组织在任何钢中都不允许存在，必须加以消除。经过铸造、锻轧、焊接的中碳、低碳钢，晶粒往往很粗大，空冷之后最容易出现魏氏组织。钢由高温较快地冷却下来往往容易出现魏氏组织，慢冷则不容易出现。钢中出现的魏氏组织，一般可以通过退火或正火加以消除。图11魏氏组织1.1.3马氏体转变当冷却速度大于vc，奥氏体化后的钢被迅速过冷至Ms线以下，将发生马氏体转变，也称之为低温转变。马氏体实质上是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，用符号M表示。Ms～Mf之间形成板条马氏体、位错马氏体和片状马氏体（孪晶马氏体）。图12奥氏体、马氏体、铁素体的构成淬火钢中的马氏体，按其金相形态可以分为两种主要类型：一种是片状马氏体，另一种是条状马氏体。片状马氏体主要出现在高碳钢淬火组织中，所以也叫“高碳马氏体”。条状马氏体主要出现在低碳钢淬火组织中，所以也叫“低碳马氏体”。图13马氏体淬硬状态构造图图14马氏体片恰巧位于试样表面图15片状马氏体呈衍架状分布图16片状马氏体的形成过程图17片状马氏体a）淬火状态b）低温回火状态图18条状马氏体图19条状马氏体中的位错胞图20马氏体连续冷却转变图马氏体的力学性能主要取决于马氏体中的含碳量，随着马氏体含碳量的增高，其强度、硬度随之增高，塑性和韧性急剧降低。图21马氏体转变温度与含碳量的关系1.2过冷奥氏体等温冷却C-曲线的应用常应用等温冷却C-曲线近似地分析奥氏体在连续冷却中地转变过程。下图是在共析碳钢等温冷却C-曲线上估计连续冷却时地组织转变情况。图中v1的冷却速度相当于钢在炉中缓冷，根据它与C-曲线相交的位置，估计出过冷奥氏体将转变为珠光体；v2冷却速度相当于空冷，奥氏体将转变为索氏体；v3冷却速度相当于油冷，一部分奥氏体先转变为屈氏体，其余的奥氏体冷却到Ms线以下变成马氏体，最终产物为屈氏体＋马氏体的混合组织。v4冷却速度相当于水冷，它不与C-曲线相交，一直过冷到Ms以下转变成马氏体。冷却速度v0与C-曲线鼻尖相切，为该钢的临界冷却速度。图22应用等温冷却C曲线估计连续冷却曲线图23碳钢及合金钢的最高硬度与含碳量的关系1.3影响C-曲线的因素：提高奥氏体稳定性的因素，都使孕育期延长，转变减慢，因而使C-曲线右移。反之，凡是降低奥氏体稳定性的因素，都加速转变，使C-曲线左移。1）含碳量的影响在正常的热处理条件下，亚共析钢中，随奥氏体中含碳量的增加，过冷奥氏体的稳定性增大，即使C-曲线右移。过共析钢中，随钢中含碳量增加，过冷奥氏体的稳定性减小，即使C-曲线左移。见碳钢的C-曲线比较图，碳钢中以共析钢的过冷奥氏体稳定性最高。这是由于亚、过共析钢的过冷奥氏体在冷却时，首先析出铁素体或渗碳体，使奥氏体分解时形核率增加，使其奥氏体稳定性减小。图24亚共析钢a)、共析钢b)和过共析钢c)的C-曲线2）合金元素的影响合金元素在钢中可能处于三种状态，即：固溶状态、化合状态和游离状态。除Co以外，所有溶入奥氏体中的合金元素都增加过冷奥氏体的稳定性，使C-曲线右移。其中一些合金元素，如Cr、W、Mo、V、Ti等还能使C曲线形状改变。图25合金钢出现两个“鼻子”的C-曲线图26碳素钢两个C-曲线重叠成一个C-曲线图27合金元素对于过冷奥氏体等温转变的影响）奥氏体状态的影响奥氏体状态主要使指奥氏体的晶粒度、均匀性、晶体缺陷密度以及第二相的数量、大小、形状及分布等等。这些因素都会影响奥氏体的等温转变。但是，这些因素又与钢的原始组织、奥氏体化条件以及塑性变形等有关，所以，奥氏体状态的影响往往是几种原因综合作用的结果。a）奥氏体晶粒度对于等温转变的影响如下图，晶粒大小主要影响先共析转变、珠光体转变以及贝氏体转变。晶粒越细小，这些转变进行越快，这些转变的C-曲线越向左移。对于马氏体转变，晶粒度的影响不很大。晶粒越粗大则Ms点越高，马氏体转变也越快。这与晶粒粗大化的同时伴随着晶体缺陷密度减小有关。图28奥氏体晶粒度对于等温转变的影响b)奥氏体均匀性的影响奥氏体成分越不均匀，则先共析转变和珠光体转变越快，这部分C-曲线越左移；贝氏体转变时间则延长，转变终了线右移。同时，Ms点升高Mf点降低。不均匀奥氏体中的高碳浓度区将使贝氏体转变减慢，因而转变终了时间延长。同时，低碳浓度区使Ms点升高，高碳浓度区使Mf点降低。图29奥氏体均匀性对于等温转变的影响