工具钢冷却时的相变类型与产物形貌分析

图2-15 亚共析钢奥氏体分解等温转变图

工具钢从奥氏体状态冷却下来，在不同的温度区间等温时会发生不同类型的组织转变，这种相变比较复杂，图2-15比较形象地显示了亚共析钢这种组织变化，过共析钢也有类似的组织转变。图2-15中把亚共析钢的恒温组织转变由高温的奥氏体状态到马氏体转变终了温度（Mf点）共分成多个转变区域。

1）亚共析工具钢冷却到Ac₃之前（过共析钢冷却到Ac_cm之前），始终保持奥氏体状态。

2）亚共析钢在Ac₃～Ac₁之间会析出先共析铁素体（过共析钢冷却到Ac_cm～Ac₁之间会析出先共析碳化物）但基体仍然是奥氏体状态。

3）在稍低于Ac₁温度等温时会形成粗大的珠光体+铁素体（此温度下过共析钢会形成珠光体+渗碳体）。

4）继续降低等温温度，会形成细的珠光体。

5）当等温温度降低到在等温转变图的鼻部时，会形成很细的珠光体。

6）在稍低于等温转变图的鼻部温度等温时会形成珠光体和贝氏体的混合物。

7）继续降低等温温度会形成单一的细贝氏体。

8）继续下降等温温度，会形成很细的贝氏体。

9）当等温温度稍低于Ms点时，开始形成贝氏体与马氏体的混合物。

10）等温温度继续下降时会形成单一的马氏体组织，直到马氏体转变终了点（Mf点），形成100%马氏体。

综上所述，工具钢冷却时进行的等温相变，在低于Ac₁点温度以后，伴随等温温度的降低奥氏体分别转变成珠光体、贝氏体和马氏体；并且恒温转变的温度越低，珠光体和贝氏体的组织越细。

以上的相变过程适用于所有的碳素钢，包括碳素工具钢。对于含有合金元素的合金工具钢，相变的类型与此相似，只是由于合金元素的加入，使等温转变图的鼻部右移，增加了相变的孕育期。同时，Ms点和Mf点向下移，甚至使等温转变图的形状发生变化，形成双C形的等温转变图。等温转变图的形状和位置的变化，会导致相变产物的变化。

通常介绍工具钢的相变时只讲到相变的产物为止，很少详细介绍相变过程中各种相变产物的形貌。这里以成分接近工具钢的S5亚共析钢[化学成分（质量分数，%）：C0.5、Mn0.8、Si1.6、Cr0.25、Mo0.3]为例，介绍冷却时各种相变产物的形貌，可以更直观地了解工具钢冷却时相变的详细情况。

下面介绍S5钢在1650℉（899℃）奥氏体化加热以后分别在1300℉（705℃）、1200℉（649℃）、800℉（427℃）、650℉（343）、500℉（260℃）、400℉（204℃）6个温度段做不同时间的等温停留时产生的相变产物的形貌。

图2-16所示为S5钢试样奥氏体化温度1650℉（899℃）加热以后，在1300℉（705℃）停留时，不同等温停留时间的相变产物。图2-16a所示为1min等温停留后的相变产物：残留未溶的铁素体+马氏体（轻腐蚀的基体是奥氏体，样品淬火时被淬火成马氏体）。图2-16b所示为2h等温停留后的相变产物：奥氏体完全转变，相变产物是铁素体+珠光体。

图2-17所示为S5钢在1200℉（649℃）不同时间等温停留以后发生的相变情况，奥氏体化温度为1650℉（899℃）。图2-17a所示为S5钢短时间等温停留2min后的相变产物：少量残留的铁素体+马氏体（轻腐蚀的基体是奥氏体，样品淬火时被淬成马氏体）。图2-17b所示为在4min等温停留以后的相变产物：马氏体+残留的铁素体+细的珠光体。图2-17c所示为8min等温停留以后的相变产物：更多的珠光体+少量的马氏体。图2-17d所示为在1h等温停留以后的相变产物：奥氏体完全转变，转变产物是铁素体+细珠光体。

图2-16 S5钢1300℉（705℃）的相变，试样1650℉（899℃）奥氏体化（1000×）(www.xing528.com)

a）停留1min b）停留2h

图2-17 S5钢在1200℉（649℃）的相变，试样1650℉（899℃）奥氏体化（1000×）

a）停留2min b）停留4min c）停留8min d）停留1h

图2-18所示为S5钢在800℉（427℃）等温停留时，不同停留时间的相变情况，奥氏体化温度为1650℉（899℃）。图2-18a所示为等温停留30s后的相变产物：马氏体（轻腐蚀的基体是奥氏体，样品淬火时被淬成马氏体）+中间产物。图2-18b所示为等温停留10min以后的产物：中间产物+少量的马氏体。图2-18c所示为等温停留2h以后的产物：中间产物+少量尚未转变的残留奥氏体（轻腐蚀的部分）。

图2-18 S5钢在800℉（427℃）的相变[试样1650℉（899℃）奥氏体化，1000×]

a）停留30s b）停留10min c）停留2h

图2-19所示为S5钢试样650℉（343℃）等温停留时的相变情况，奥氏体化温度为1650℉（899℃）。45min等温停留以后，奥氏体完全转变成中间产物和贝氏体。

图2-20所示为S5钢试样500℉（260℃）等温停留时的相变情况，奥氏体化温度为1650℉（899℃）。等温停留1h以后，奥氏体完全转变成贝氏体。

图2-19 S5钢在650℉（343℃）的相变 [试样1650℉（899℃）奥氏体化，1000×]

图2-20 S5钢在500℉（260℃）的相变 [试样1650℉（899℃）奥氏体化，1000×]

图2-21所示为S5钢试样400℉（204℃）等温停留时的相变情况，奥氏体化温度为 1650℉（899℃）。如图2-21a所示，等温停留5s以后，立即在1100℉（593℃）回火5s后的相变产物：即刻形成约30%马氏体（黑色为回火马氏体）。如图2-21b所示，等温停留5min后，立即在1100℉（593℃）回火5s后的相变产物：黑色贝氏体组织数量增加。如果在400℉（204℃）等温停留2h，奥氏体会转变成50%马氏体+50%贝氏体。继续降低等温停留温度到Ms点以下温度，则相变产物为纯马氏体，不再有贝氏体出现。

图2-21 S5钢在400℉（204℃）的转变（1000×）

a）冷却到400℉（204℃），停留5s后立即在1100℉（593℃）回火5s

b）冷却到400℉（204℃），停留5min后立即在1100℉（593℃）回火5s