钢的冷却过程中组织转变

资源3-1　钢热处理的冷却方式

冷却过程是热处理的关键工序，其冷却方式不同，冷却后的组织和性能也不同。热处理生产中有等温冷却和连续冷却两种方式。等温冷却是将奥氏体化后的钢迅速冷至Ar1以下某一温度并保温，使其在该温度下发生组织转变，然后再冷却到室温的热处理工艺，如图3-4中虚线所示；连续冷却是指将奥氏体化的钢自加热温度连续冷却至室温的热处理工艺，如图3-4中实线所示。

图3-4　两种冷却方式示意图

资源3-2　过冷奥氏体的等温转变

3.1.2.1　过冷奥氏体的等温转变

奥氏体在A1温度以上是稳定的，能够长期存在而不发生转变，一旦冷却到Ar1温度以下就处于不稳定状态，即将发生转变。我们把在Ar1温度以下暂存的、不稳定的奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物可以用等温转变曲线来确定。

（1）过冷奥氏体等温转变曲线的建立

现以共析钢为例来说明过冷奥氏体等温转变曲线的建立。

1）首先将共析钢制成若干小圆形薄片试样，加热至奥氏体化后，分别迅速放入Ar1以下不同温度的恒温盐浴槽中进行等温转变。

2）分别测出在各温度下过冷奥氏体转变的开始时间、终了时间以及转变产物量。

3）将测得的参数画在温度—时间坐标图上，并将各转变开始点和终了点分别用光滑曲线连接起来，便得到共析钢过冷奥氏体等温转变曲线，如图3-5（a）所示。

图3-5　共析钢过冷奥氏体等温转变曲线

（a）共析钢等温转变曲线的建立；（b）共析钢等温转变曲线

因过冷奥氏体在不同过冷度下，转变所需时间相差很大，故图中用对数坐标表示。由于曲线与字母“C”相似，故又称为C曲线。

图3-5（b）中左边曲线为过冷奥氏体等温转变开始线，右边曲线为过冷奥氏体等温转变终了线。A1线以上是稳定的奥氏体区。A1线以下，转变开始线左边的区域为过冷奥氏体区；转变终了线以右的区域是转变产物区；两线之间是过冷奥氏体和转变产物共存区。由纵坐标到转变开始线之间的水平距离表示过冷奥氏体等温转变前所经历的时间，称为孕育期。孕育期越长，表示过冷奥氏体越稳定。对于共析钢，过冷奥氏体在550℃附近等温时，孕育期最短，即过冷奥氏体最不稳定，转变速度最快，这里被形象地称为C曲线的“鼻尖”。C曲线的下部有两条水平线，上边一条是马氏体转变开始线，用Ms表示；下边一条是马氏体转变终了线，用Mf表示。

（2）过冷奥氏体等温转变产物的组织形态及性能

1）珠光体转变。共析钢在Ar1～550℃区间进行等温时，过冷奥氏体的转变产物为珠光体型组织，它是由铁素体与渗碳体组成的层片相间的机械混合物。等温温度越低，铁素体和渗碳体的片层间距越小。根据片层的厚薄不同，珠光体型组织又可细分为三种，如表3-1所示。

表3-1　珠光体型组织的形态和性能(www.xing528.com)

实际上这三种组织都是珠光体，其差别只是珠光体的片层间距大小不同，等温温度越低，片层间距越小。片层间距越小，强度、硬度越高，塑性、韧性越好。

2）贝氏体转变。共析钢在550℃～Ms区间进行等温时，过冷奥氏体的转变产物为贝氏体。贝氏体是含过饱和碳的铁素体和碳化物组成的机械混合物，用符号“B”表示。根据形成温度和组织形态，可将贝氏体分别为上贝氏体和下贝氏体，如图3-6所示。

图3-6　贝氏体的显微组织

（a）上贝氏体显微组织（600×）；（b）下贝氏体显微组织（600×）

共析钢在350～550℃区间等温，将形成黑色羽毛状的上贝氏体。上贝氏体强度很低，脆性很大，基本没有实用价值。在350℃～Ms区间等温，形成黑色竹叶状的下贝氏体。下贝氏体具有较高的强度、硬度和良好的塑性、韧性。因此，生产中常用等温淬火的方法来获得下贝氏体组织，以获得良好的综合力学性能。

3）马氏体转变。马氏体转变是在Ms～Mf之间连续冷却过程中进行的。当过冷奥氏体被快速冷却到Ms点以下时，转变产物是马氏体。马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。

马氏体的组织形态主要与碳含量有关。当碳含量低于0.2%时，可获得板条状的马氏体，它具有较高的强度、硬度和较好的塑性、韧性；当碳含量大于1.0%时，得到针片状马氏体，它具有很高的硬度，但塑性差、脆性大；但碳含量在0.2%～1.0%时，得到板条马氏体和针片状马氏体的混合组织。图3-7所示为板条马氏体和针片状马氏体的显微组织。

图3-7　板条马氏体和针片状马氏体的显微组织

（a）板条马氏体的显微组织；（b）针片状马氏体的显微组织

3.1.2.2　过冷奥氏体的连续冷却转变

在实际生产中，过冷奥氏体大多是在连续冷却中转变的，因此研究过冷奥氏体连续冷却时的组织转变规律有着重要的意义。

图3-8所示为共析钢的连续冷却转变曲线。由图可见，连续冷却转变曲线只有C曲线的上半部分，因此连续冷却时只发生珠光体和马氏体转变，而不会发生贝氏体转变。图中Ps线为过冷奥氏体向珠光体转变的开始线；Pf线为过冷奥氏体向珠光体转变的终了线；KK′线为过冷奥氏体向珠光体转变的终止线，它表示冷却曲线与KK′线相交时，过冷奥氏体即停止向珠光体转变，剩余部分一直冷却到Ms线以下发生马氏体转变。υK是过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解，全部转变为马氏体的最小冷却速度，也称为马氏体临界冷却速度；υK′是获得全部珠光体型组织的最大冷却速度。

图3-8　共析钢的连续冷却转变曲线

资源3-3　共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变

【想一想】

钢铁材料为什么能够进行热处理？