钢制品冷却组织转变的认知学习任务

钢经加热获得均匀奥氏体组织，一般只是为随后的冷却转变做准备。冷却是热处理的关键，钢的力学性能取决于奥氏体冷却转变后获得的组织，故必须研究奥氏体冷却过程的变化规律。

钢的热处理工艺有两种冷却方式：一种是等温冷却，如图3-6曲线1所示，将奥氏体状态的钢迅速冷却到临界点以下某一温度保温，让其发生恒温转变，然后再继续冷却；另一种是连续冷却，如图3-6曲线2所示，钢从奥氏体状态一直连续冷却到室温。由于Fe-Fe3C相图是在极其缓慢加热或冷却条件下建立的，它没有考虑到冷却条件对相变的影响，因此热处理中，通常都是根据上述两种冷却方式，分别测绘出过冷奥氏体等温转变曲线和过冷奥氏体连续冷却转变曲线，这两种曲线能正确说明奥氏体在冷却时的条件与相变间的关系。

图3-6　奥氏体不同冷却方式示意图

1—等温冷却；2—连续冷却。

3.2.1 共析钢过冷奥氏体的等温转变图

奥氏体在临界转变温度以上是稳定的，不会发生转变。奥氏体冷却至临界温度以下，在热力学上处于不稳定状态，要发生分解转变，这种在临界温度以下存在且不稳定的、将要发生转变的奥氏体，叫作过冷奥氏体。

过冷奥氏体在连续冷却时的转变是在一个温度范围内发生的，其过冷度不断变化，因而可以获得粗细不同或类型不同的混合组织，这种冷却方式在生产上广泛采用，但分析起来比较困难；而在等温冷却时，可以控制温度和时间这两个因素，分别研究温度和时间对过冷奥氏体转变的影响，从而有助于弄清过冷奥氏体的转变过程及不同转变产物的组织和性能，并能方便地测定过冷奥氏体等温转变曲线。

1.过冷奥氏体等温转变图测定原理

现以共析钢为例。首先将共析钢制作成φ10 mm×1.5 mm的薄片试样，分成几组，每组都有几个试样，将各组试样都在同样加热条件下奥氏体化，获得均匀的奥氏体组织，然后把各组试样分别迅速投入A1点以下不同温度（如720 °C、700 °C、650 °C、600 °C、550 °C…）的等温浴槽中，使过冷奥氏体进行等温转变，同时记录时间，每隔一段时间，在每一组中取出一块试样淬入水中，测量其硬度并在显微镜下观察其组织，找出各个等温温度下的转变开始时间和转变终了时间，并标注在“温度-时间”的坐标系中；将所有的转变开始点和转变终了点分别连接起来，便形成了奥氏体转变开始线和转变终了线，如图3-7所示。这种描绘奥氏体等温转变温度-时间-转变产物三者之间关系的曲线，称为奥氏体等温转变图。由于曲线的形状很像字母C，故又称为C曲线。

与共析钢C曲线不同，亚、过共析钢C曲线的上部各多出一条先共析相析出线，如图3-8、图3-9所示，说明过冷奥氏体在发生珠光体转变之前，在亚共析钢中要先析出铁素体，在过共析钢中要先析出渗碳体，同时，在正常的热处理加热条件下，亚共析钢的C曲线随碳质量分数增加向右移动，过共析钢的C曲线随碳的质量分数增加向左移动，所以在碳钢中，共析钢的C曲线离温度坐标距离最远，其过冷奥氏体最稳定。

图3-7　共析钢等温转变图

图3-8　亚共析钢等温转变图

图3-9　过共析钢等温转变图

2.过冷奥氏体等温转变图分析

由C曲线可知，过冷奥氏体在发生转变前需要经历一段等待时间，这段时间称为孕育期，转变开始线到温度坐标轴的距离代表了孕育期的长短，孕育期的长短随过冷度而变化。C曲线的拐弯处，称为等温转变图的鼻尖，其孕育期最短，即过冷奥氏体最不稳定，容易发生转变，其转变速度也最快。而在靠近A和Mf线处孕育期较长，过冷奥氏体比较稳定，其转变速度也较慢。

实践表明，过冷奥氏体在A1以下三个温度区间内将分别发生不同类型的组织转变：

（1）在A1～550 °C的高温区等温停留时，发生珠光体转变；

（2）在550 °C～Ms点的中温区等温停留时，发生贝氏体转变；

（3）当过冷奥氏体被快速冷却到Ms点以下时的低温区时，发生马氏体转变。

3.珠光体转变

珠光体转变又称高温转变，由面心立方晶格的奥氏体转变为由体心立方晶格的铁素体和复杂晶格的渗碳体组成的珠光体，其过程既要进行晶格的改组，又要进行铁、碳原子的扩散，是一个在固态下形核和长大的过程。

当奥氏体过冷到A1～550 °C的某一温度保温时，首先在奥氏体晶界处形成片状渗碳体核心（近年研究表明，也可以形成铁素体核心），如图3-10（a）所示，Fe3C的长大使得周围奥氏体贫碳，为铁素体的形核创造了条件，α晶核便在Fe3C两侧形成，这样就形成了一个珠光体晶核，如图3-10（b）所示。α的长大使周围奥氏体中碳含量升高，这又为新的Fe3C形成创造了条件。随着Fe3C的长大，又产生新的α片，如此反复进行，便形成了α与Fe3C片层相间的珠光体领域。与此同时，又有新的珠光体晶核形成并长大，如图3-10（c）所示，直到各个珠光体领域彼此相碰，奥氏体完全消失，转变结束。

图3-10　渗碳体为领先相，片状珠光体的形成过程示意图

珠光体是由片层相间的铁素体和渗碳体组成的机械混合物。等温转变温度越低，层间距离越小。按层片间距的大小，珠光体型组织可分为珠光体（P）（见图3-11）、索氏体（S）（见图3-12）、和屈（或托）氏体（T）（见图3-13）。珠光体较粗，索氏体较细，屈氏体最细。珠光体片层间距越小，相界面越多，塑性变形抗力越大，故强度、硬度越高。另外，由于片层间距越小，渗碳体越薄，越容易随铁素体一起变形而不脆断，因而塑性、韧性也有所提高。

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图3-11　珠光体显微组织（3800×）

图3-12　索氏体显微组织（8000×）

图3-13　托氏体显微组织（8000×）

4.贝氏体转变

贝氏体转变又称中温转变，其转变产物为贝氏体，用符号B表示。贝氏体的转变是半扩散型相变，碳原子扩散，铁原子不扩散。转变温度不同，形成的贝氏体组织形态也明显不同。通常在550～350 °C形成的称为上贝氏体，用符号B上表示；350 °C～Ms点形成的称为下贝氏体，用符号B下表示。

贝氏体的力学性能与其形态有关。上贝氏体中铁素体片较宽，在光学显微镜下呈羽毛状（见图3-14），塑性变形抗力较低，同时，渗碳体分布在铁素体片层之间，容易引起脆断，因此，强度和韧性都较低，没有实用价值；下贝氏体中铁素体片细小，在光学显微镜下呈黑色针状（见图3-15），无方向性，碳的过饱和度大，碳化物分布均匀，所以硬度高、韧性好，具有较好的综合力学性能。

图3-14　贝氏体显微组织（500×）

图3-15　贝氏体显微组织（200×）

下贝氏体的形成过程

5.马氏体转变

钢从奥氏体状态快速冷却，抑制其扩散性分解，在低于Ms点温度下发生的无扩散型相变叫作马氏体转变，其转变产物称为马氏体，用符号M表示。研究表明，钢中马氏体形态多种多样，但根据单元形态及亚结构的特点来看，最主要的是板条状和片状马氏体。

板条状马氏体是在低、中碳钢及马氏体时效钢、不锈钢、Fe- Ni合金中形成的一种典型的马氏体组织，低碳钢中典型的马氏体组织如图3-16所示，其显微组织是由成群的板条组成。当钢的组织为板条状马氏体时，钢具有较高的硬度和强度、较好的塑性和韧性。

片状马氏体是在中、高碳（合金）钢及Fe-Ni（大于29%）合金中形成的一种典型的马氏体组织。对碳钢来说，一般当碳含量小于1.0%时是与板条状马氏体共存的，而大于1.0%时才单独存在，高碳钢中典型的片状马氏体组织如图3-17所示，其特征是相邻的马氏体片一般互不平行，而是呈一定的交角排列，它的空间形态呈双凸透镜片状，由于它与试样磨面相截而往往呈现为针状或竹叶状，故也称为针状或竹叶状马氏体。片状马氏体具有很高的硬度，但塑性和韧性很差，脆性大。

图3-16　低碳马氏体显微组织（500×）

图3-17　高碳马氏体显微组织（500×）

片状马氏体的形成过程

与前两种转变不同，马氏体的转变冷却只进行到室温，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，称为残余奥氏体。过多的残余奥氏体会降低钢的强度、硬度和耐磨性，由于残余奥氏体是不稳定组织，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，在生产中对硬度要求高或精度要求高的工件，常在淬火后将其迅速置于接近Mf的温度下，促使残留奥氏体进一步转变成马氏体，这个工艺过程称为“冷处理”。

3.2.2 等温转变图的应用

在实际的热处理工艺中，零件常常是连续冷却，此时过冷奥氏体的转变是在连续冷却过程中进行的。描述过冷奥氏体连续冷却时的温度-时间-转变曲线称为连续冷却转变图（Continuous Cooling Transformation diagram），简称CCT图。由于连续冷却转变图测定较困难，所以生产中常用等温转变图来分析连续冷却转变的结果。即按连续冷却曲线与等温转变图相交的位置，来估计连续冷却转变后所得到的组织。图3-18说明了生产中几种不同冷却速度下，过冷奥氏体连续冷却转变的产物与性能。其中冷却速度vK与等温转变图的鼻尖相切，称为马氏体临界冷却速度，是保证过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解而全部转变为马氏体的最小冷却速度。

图3-18　等温转变图在连续冷却中的应用