过冷奥氏体的等温冷却转变研究

在不同的过冷度下，反映过冷奥氏体转变产物与时间关系的曲线称为过冷奥氏体等温转变曲线。由于曲线形状像字母C，故又称为C曲线（或称TTT曲线）。如图5-7所示为共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线。图中左边一条曲线为等温转变开始线，右边一条曲线为等温转变终了线；Ms（≈230℃）线、Mf（≈-50℃）线分别为马氏体转变开始温度线和终了温度线。在A1以上是奥氏体稳定区；在两曲线之间是转变过渡区（过冷奥氏体+转变产物）；Ms线、Mf线之间为马氏体转变区。由于在不同等温温度下，过冷奥氏体转变经历的时间相差很大（从不足1 s到长达几天），所以等温转变图中的横坐标采用对数坐标标出时间。

图5-7　共析钢过冷奥氏体等温转变曲线

从等温转变图中可看出，过冷奥氏体在各个温度等温时，都要在该温度下经过一段时间后才能发生转变。把金属及合金在一定过冷度条件下等温转变时，等温停留开始至转变开始之间的时间称为“孕育期”（它以转变开始线上的各点与温度坐标的距离表示）。孕育期的长短反映了过冷奥氏体稳定性的大小。孕育期最短处，过冷奥氏体最不稳定，转变最快，孕育期最短处称为C曲线的“鼻尖”。对于碳钢，“鼻尖”处的温度为550℃。过冷奥氏体的稳定性取决于相变驱动力和扩散这两个因素。在“鼻尖”以上，过冷度越小，相变驱动力也越小；在“鼻尖”以下，温度越低，原子扩散越困难，两者都使奥氏体稳定性增加，孕育期增长，转变速度减慢。

（一）过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能

根据过冷奥氏体不同温度（Ar1线以下）下转变产物的不同，奥氏体的变化可分为三种不同类型的转变，即高温珠光体转变、中温贝氏体转变和低温马氏体转变。

1.珠光体转变——高温转变（Ar1～550℃）

共析成分的奥氏体过冷到Ar1～550℃高温区等温停留时，将发生共析转变，转变产物为珠光体型组织，都是由铁素体和渗碳体的层片组成的机械混合物。由于过冷奥氏体向珠光体转变温度不同，珠光体中铁素体和渗碳体片厚度也不同。在Ar1～650℃范围内，片间距较大，称为珠光体（P），如图5-8所示；在650～600℃范围内，片间距较小，称为索氏体（S），如图5-9所示；在600～550℃范围内，片间距很小，称为托氏体（T），如图5-10所示。

图5-8　珠光体的显微组织

（a）光镜下形貌（b）电镜下形貌

图5-9　索氏体的显微组织

（a）光镜下形貌；（b）电镜下形貌

图5-10　托氏体的显微组织

（a）光镜下形貌；（b）电镜下形貌

实际上，这三种组织都是珠光体，其差别只是珠光体组织的“片间距”大小，形成温度越低，片间距越小。这个“片间距”越小，组织的硬度越高，托氏体的硬度高于索氏体，远高于粗珠光体。表5-1为共析钢的珠光体型组织及特征。

表5-1　共析钢的珠光体型组织及特征

2.贝氏体转变——中温转变（550℃～Ms）

共析成分的奥氏体过冷到550℃～Ms的中温区停留时，将发生过冷奥氏体向贝氏体的转变，形成贝氏体（B）。由于过冷度较大，转变温度较低，贝氏体转变时只发生碳原子的扩散而不发生铁原子的扩散。因而，贝氏体是由含过饱和碳的铁素体和碳化物组成的两相混合物。

上贝氏体转变

按组织形态和转变温度，可将贝氏体组织分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）两种。上贝氏体是在550～350℃温度范围内形成的。由于脆性较高，基本无实用价值，这里不予讨论。下贝氏体是在350℃～Ms温度范围内形成的。它由含过饱和的细小针片状铁素体和铁素体片内弥散分布的碳化物组成，因而，它具有较高的强度和硬度、塑性和韧性。在实际生产中常采用等温淬火来获得下贝氏体。典型的上贝氏体呈羽毛状态，如图5-11所示；下贝氏体呈黑色针片状或竹叶状，如图5-12所示。

图5-11　羽毛状上贝氏体的显微组织

（a）光学显微照片；（b）电子显微照片

图5-12　针、叶状下贝氏体的显微组织

（a）光学显微照片；（b）电子显微照片

马氏体

奥氏体转变为马氏体(www.zuozong.com)

3.马氏体转变——低温转变（Ms以下）

当过冷奥氏体被快速冷却到Ms点以下时，便发生马氏体转变，形成马氏体（M），它是奥氏体冷却转变最重要的产物。奥氏体为面心立方晶体结构。当过冷至Ms以下时，其晶体结构将转变为体心立方晶体结构。由于转变温度较低，原奥氏体中溶解的过多碳原子没有能力进行扩散，致使所有溶解在原奥氏体中的碳原子难以析出，从而使晶格发生畸变，含碳量越高，畸变越大，内应力也越大。马氏体实质上就是碳溶于α-Fe中的过饱和间隙固溶体。

马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体的碳含量。当wC低于0.2%时，可获得呈一束束尺寸大体相同的平行条状马氏体，称为板条状马氏体，如图5-13所示。当钢的组织为板条状马氏体时，具有较高的硬度和强度、较好的塑性和韧性。当马氏体中wC大于0.6%时，得到针片状马氏体。片状马氏体具有很高的硬度，但塑性和韧性很差，脆性大。当wC为0.2%～0.6%时，低温转变得到板条状马氏体与针状马氏体混合组织。随着碳含量的增加，板条状马氏体量减少而针片状马氏体量增加。

马氏体组织转变观察

图5-13　马氏体的显微组织

（a）板条马氏体形貌（b）针状马氏体形貌

与前两种转变不同的是，马氏体转变不是等温转变，而是在一定温度范围内（Ms～Mf）快速连续冷却完成的转变。随温度降低，马氏体量不断增加。而实际在进行马氏体转变的淬火处理时，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余下来，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，而且因残余奥氏体为不稳定组织，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，对硬度要求高或精度要求高的工件，生产中常在淬火后迅速将其置于接近Mf的温度下，促使残余奥氏体进一步转变成马氏体，这一工艺过程称为“冷处理”。

综上所述，马氏体的转变有如下特点：

（1）过冷奥氏体转变为马氏体是一种非扩散型转变。

（2）马氏体的形成速度很快，无孕育期，是一个连续冷却的转变过程。

（3）马氏体转变是不彻底的，总要残留少量奥氏体。

（4）马氏体形成时体积膨胀，在钢中造成很大的内应力，严重时导致开裂。

亚共析钢和过共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线与共析钢的奥氏体等温转变曲线相比，它们的C曲线分别多出一条先析铁素体析出线或先析渗碳体析出线，如图5-14所示。

图5-14　亚共析钢和过共析钢的C曲线

（a）亚共析钢；（b）过共析钢

（二）影响C曲线的因素

1.含碳量

随着奥氏体中含碳量的增加，奥氏体的稳定性增大，C曲线的位置右移，这是一般规律。在正常加热条件下，亚共析钢的C曲线随含碳量的增加而右移，过共析钢的C曲线随含碳量的增加而左移。因为过共析钢的含碳量增加，未溶解渗碳体的量增多，它们能作为结晶核心促使奥氏体分解，故在碳钢中，共析钢的过冷奥氏体最稳定。此外，奥氏体中的含碳量越高，Ms点越低。

2.合金元素

除Co以外的几乎所有合金元素融入奥氏体后，都会增加奥氏体的稳定性，使C曲线不同程度右移。当某些合金元素达到一定量时，还会改变C曲线的形状。绝大多数合金元素均会使Ms温度降低。

3.加热温度和保温时间

随着加热温度的提高和保温时间的延长，奥氏体晶粒长大，晶界面积减少，奥氏体成分更加均匀。这些都不利于过冷奥氏体的转变，但提高了奥氏体的稳定性，使C曲线右移。

对于过共析钢与合金钢，影响其C曲线的主要因素是奥氏体的成分。