如何优化钢材在冷却时的转变？

冷却是钢热处理的三个工序中影响性能的最重要环节，所以冷却转变是热处理的关键。表5-1是45钢在不同冷却条件下的力学性能，由于不同冷却条件下得到不同组织，所以力学性能差异较大。

表5-145　钢在不同冷却条件下力学性能

热处理冷却方式通常有两种，即等温冷却和连续冷却，如图5-3所示，曲线1为等温冷却。等温冷却是将奥氏体组织的钢，迅速冷却到临界点温度以下的某一温度，然后进行保温转变，使奥氏体变成其它组织后，再冷却到室温。曲线2为连续冷却。连续冷却是将奥氏体组织的钢按一定的速度冷却到室温，使过冷奥氏体在不同的温度下连续不断地进行转变。

图5-3　等温冷却和连续冷却示意图

1—等温冷却；2—连续冷却

（一）奥氏体的等温转变

1.奥氏体等温转变曲线

奥氏体等温转变曲线一般用金相硬度法测定。以共析钢为例，制成若干小的薄片试样，将其加热到AC1以上的某一温度使之得到均匀的奥氏体，然后将样品分成几组，每一组包括若干个试样，将每一组试样分别投入到保持在不同温度（如700℃、650℃、600℃、550℃、450℃、400℃、200℃等）的恒温盐浴槽中，每隔一定的时间取出一块样品，立即淬入水中，冷却后测定其硬度并观察其显微组织。这样便可找出在不同的温度下进行恒温转变时，开始转变所需时间及完成转变所需的时间。在以温度和时间为坐标的图上将所有的转变开始点和终了点分别标注，并将所有的开始转变点和终止转变点分别用光滑的曲线连接起来，便可获得该钢奥氏体的等温转变曲线，由于其形状类似“C”形，故亦称作“C曲线”。图5-4是共析钢C曲线测定方法示意图。图5-5是实测的共析钢C曲线。

图5-4　C曲线的测定和绘制

图5-5　共析钢等温转变曲线

若把已加热奥氏体的共析钢试样迅速投入冷水中，奥氏体将不发生上述等温转变，而是在约230℃开始转变成马氏体组织，到-50℃转变结束。因此图上出现了马氏体开始转变水平线Ms和马氏体转变结束线Mf。

2.奥氏体等温转变产物的组织和性能

根据转变温度的不同，C曲线分为高温转变、中温转变和低温转变三个区域。根据转变结构特点和转变产物的不同，钢在冷却时奥氏体转变可分为珠光体型转变、贝氏体型转变及马氏体型转变三种。

高温转变的温度范围为A1至550℃区间，转变产物是珠光体组织，故称珠光体转变；

中温转变的温度范围为550℃至Ms线区间，转变产物是贝氏体组织，故称贝氏体转变；

低温转变的温度范围为Ms线至Mf线区间，转变产物是马氏体组织，故称马氏体转变。

（1）珠光体转变。珠光体转变是奥氏体转变成珠光体的过程，通过碳原子和铁原子的扩散形成铁素体和渗碳体的层片状机械混合物，转变温度为A1～550℃，珠光体转变是一种扩散性相变。

奥氏体转变成珠光体过程如下：首先在奥氏体的晶界上形成渗碳体晶核并逐渐长大，由于渗碳体含碳量高，因而导致渗碳体周围的奥氏体中含碳量不断降低，导致这部分含碳量低的奥氏体中产生铁素体的晶核并逐渐长大。由于铁素体的溶碳能力低，在其形核和长大的过程中又使其周围的奥氏体中含碳量增加，为形成新的渗碳体晶核创造了条件。如此交替地进行下去，奥氏体就转变成铁素体和渗碳体的层片状机械混合物，这种组织称为珠光体。珠光体的转变机理如图5-6所示，微观组织如图5-7所示。

图5-6　珠光体转变机理

图5-7　珠光体的显微组织(www.xing528.com)

（a）光学显微组织（硝酸酒精侵蚀，500×）；（b）电子显微组织（硝酸酒精侵蚀，3800×）

在珠光体转变区间内，随着温度的下降，碳原子和铁原子的扩散能力减弱，珠光体中的铁素体和渗碳体层片越薄，即层片间的间距也越小。这种层片间距的降低对材料性能有较大影响，铁素体和渗碳体的层片间距越小、越薄，强度和硬度越高，塑性也越好。A1～650℃等温转变得到的珠光体为粗珠光体，650～600℃等温转变得到的珠光体为细珠光体，600～550℃范围等温转变得到的珠光体为极细珠光体。

（2）贝氏体转变。转变温度为550℃～Ms线，由于转变温度较低，原子的扩散能力较弱。奥氏体在转变过程中，碳原子只能作短距离的扩散，而铁原子几乎不能扩散，仅从面心立方晶格转变为体心立方晶格。奥氏体转变为贝氏体的过程与转变为珠光体的不同，转变时，先析出含碳过饱和的铁素体，随后在铁素体中陆续析出细的渗碳体。这种过饱和铁素体和细小颗粒状渗碳体的机械混合物，称为贝氏体，用符号B表示。

在中温转变区，550～350℃范围内，等温转变成的组织称为上贝氏体；350℃～Ms范围，等温转变成的组织称为下贝氏体。由于转变温度的不同，碳原子的扩散能力也有差别，因而所形成的贝氏体形态、性能也有不同。上贝氏体组织呈羽毛状，图5-8（a）为T8钢光学显微镜下的上贝氏体微观组织，电子显微镜下可以看出上贝氏体是有许多密排在一起的条状铁素体束与沉淀出来的碳化物间隔而成的机械混合物。上贝氏体有一定的硬度，但塑性和韧性很差，这样的组织在生产中应用较少。下贝氏体为黑色针叶状组织，是由针叶状的铁素体和在其片间呈有规律分布的碳化物粒子组成的机械混合物。图5-8（b）为T8钢光学显微镜下的下贝氏体组织，下贝氏体具有良好的综合机械性能，强度和硬度较高（HRC约45～55），塑性和韧性较好，所以在生产中常采用等温淬火方法得到需要的下贝氏体组织。

图5-8　贝氏体的显微组织

（a）上贝氏体（硝酸酒精侵蚀，1300×）；（b）下贝氏体（硝酸酒精侵蚀，500×）

（3）亚共析钢和过共析钢的等温转变。图5-9和图5-10是亚共析钢和过共析钢的等温转变曲线。从中可以看出，与共析钢等温转变曲线相比，亚共析钢的等温转变曲线上半部多一条铁素体共析转变线；过共析钢的等温转变曲线上半部多一条渗碳体共析转变线。说明亚共析钢和过共析钢的奥氏体在等温转变过程中分别先析出铁素体和渗碳体，然后再完成珠光体转变过程。

图5-9　亚共析钢的等温转变曲线

图5-10　过共析钢的等温转变曲线

（二）马氏体转变

当奥氏体以较快的速度冷却到Ms以下时，由于温度较低，铁原子和碳原子都不能进行扩散，铁原子只是作微小位移，使γ-Fe晶格转变为α-Fe的晶格，而碳原子来不及扩散全部固溶在α-Fe中，碳在α-Fe中的过饱和固溶体组织称为马氏体，用符号M表示。

1.马氏体转变的特点

（1）马氏体转变温度低，铁和碳原子不能进行扩散，所以是一种非扩散型转变。

（2）马氏体转变速度极快。

（3）马氏体转变是连续变温转变。温度范围在Ms～Mf之间，随着温度的降低马氏体数量越来越多。

（4）马氏体转变不完全。在转变过程中，奥氏体并非能全部转变成马氏体，总是有少量的残存下来。这部分残存的奥氏体称为残余奥氏体。

2.马氏体组织和性能

马氏体的组织形态与含碳量有关，根据马氏体组织的不同，把马氏体分为低碳马氏体、高碳马氏体和混合型马氏体。当含碳量＜0.25%，形成低碳马氏体（条状马氏体），图5-11（a）为20钢经990℃加热，盐水冷淬火处理后得到的低碳马氏体组织，从中可以看出，低碳马氏体组织中有许多尺寸大致相同的细长薄条单元，薄条平行排列组成一束，束和束之间位向不同。低碳马氏体过饱和程度低、内应力小，不仅强度高，而且塑性、韧性也较好，所以在生产中应用较广。

当含碳量大于1%时，形成高碳马氏体（针状马氏体），图5-11（b）为T10钢经1000℃加热，水冷淬火处理后得到的高碳马氏体组织。在光学显微镜下观察，针叶一般以60°～120°相交，白色区域为残余奥氏体。马氏体针叶大小不一，分布也不规则，这是由于马氏体的针叶一般在奥氏体晶粒内形成，第一片马氏体较为粗大，往往横贯整个马氏体的晶粒，稍后形成的马氏体针则较小，最后形成的马氏体就更小。高碳马氏体过饱和程度高，具有极高的硬度，但韧性低，脆性大。

图5-11　低碳马氏体和高碳马氏体组织形貌

（a）低碳马氏体（硝酸酒精侵蚀，500×）；（b）高碳马氏体（硝酸酒精侵蚀，1600×）

含碳量在0.25%～1%之间的碳钢快速冷却所得到的组织为低碳马氏体和高碳马氏体的混合结构。