珠光体奥氏体马氏体的区别

任务2　钢在冷却时的转变

冷却过程是热处理的关键工序，其冷却转变温度决定了冷却后的组织和性能。实际生产中采用的冷却方式主要有连续冷却（如炉冷、空冷、水冷等）和等温冷却（如等温淬火）。

等温冷却是指将奥氏体化的钢件迅速冷至A_r1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，如图5－6中所示的1。连续冷却则是指将奥氏体化的钢件连续冷却至室温，并在连续降温过程中发生组织转变，如图5－6中所示的2。

图5－6　两种冷却方式示意图

1—等温冷却；2—连续冷却

研究奥氏体的冷却转变规律通常采用两种方法：一种是在不同的过冷度下进行等温冷却来测定奥氏体转变过程，绘出奥氏体等温的转变曲线；另一种是在不同的冷却速度下进行连续冷却来测定奥氏体的转变过程，绘出奥氏体连续冷却的转变曲线。奥氏体在相变点（A_r1）以上为稳定相，能够长期存在而不发生转变，但过冷到A_r1线以下的奥氏体并不会立即转变，要经过一段孕育期后才开始转变，这种在孕育期暂时存在的奥氏体称为过冷奥氏体。钢在冷却时的组织转变实质上是过冷奥氏体的组织转变。

一、过冷奥氏体的等温冷却转变

在不同的过冷度下，反映过冷奥氏体转变产物与时间的关系曲线，称为过冷奥氏体等温转变的动力学曲线。由于曲线的形状像字母C，故又称为C曲线，图5－7所示为共析碳钢过冷奥氏体等温转变的动力学曲线。

图5－7　共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线

1．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（A_r1线以下）下转变产物的不同，奥氏体的变化可分为以下三种不同类型的转变，即珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。

1）珠光体转变——高温转变（A_r1～550℃）

共析成分的奥氏体过冷到A_r1～550℃等温停留时，将发生共析转变，转变产物为珠光体，它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的温度不同，因此，珠光体中铁素体F和渗碳体Fe₃C片的厚度也不同。在过冷度较小（A_r1～650℃）时，片间距较大称为珠光体P，如图5－8所示；在600～650℃范围内，片间距较小，称为索氏体S，如图5－9所示；在550～600℃范围内，由于过冷度较大，片间距很小，这种组织称为屈氏体T，如图5－10所示。

图5－8　珠光体

图5－9　索氏体

图5－10　屈氏体

珠光体组织中的片间距越小，相界面越多，塑性变形抗力越大，强度和硬度也越高；同时，渗碳体变薄，使得塑性和韧性也有所改善。

2）贝氏体转变——中温转变（550℃～M_s）

共析成分的奥氏体过冷到240～550℃的中温区内停留，便会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会发生铁原子的扩散。因此，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。按组织形态和转变温度将贝氏体组织分为上贝氏体B_上和下贝氏体B_下两种。

上贝氏体形成温度范围为350～550℃。它是由大致平行、碳轻微过饱和的铁素体板条为主体、铁素体板条间分布的短棒状或短片状碳化物组成的，如图5－11所示。在光学显微镜下，典型的上贝氏体呈羽毛状形态，组织中碳化物不易辨认，如图5－12所示。

图5－11　上贝氏体组织示意图

图5－12　上贝氏体光学显微组织（600倍）

下贝氏体形成温度范围为350℃～M_s。它由含过饱和的细小针片状铁素体，以及在铁素体片内弥散分布且与铁素体片的纵向轴呈55～65℃平行排列的碳化物组成，如图5－13所示。在光学显微镜下，典型的下贝氏体呈黑色针片状，如图5－14所示。

图5－13　下贝氏体组织示意图

图5－14　下贝氏体光学显微组织（500倍）

贝氏体的性能与其形态有关。由于上贝氏体中碳化物分布在铁素体片层间，脆性大，易引起脆断，因此，基本上无实用价值。下贝氏体中，铁素体片细小且无方向性，碳的过饱和度大，碳化物分布均匀，弥散度大，因而，它具有较高的强度和硬度，以及较好的塑性和韧性。在实际生产中，常采用等温淬火来获得下贝氏体，以提高材料的韧性。

3）马氏体转变——低温转变（M_s以下）

当过冷奥氏体被快速冷却到M_s点以下时便会发生马氏体转变，它是奥氏体冷却转变后最重要的产物。奥氏体为面心立方晶体结构，当过冷至M_s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，使晶格发生畸变。碳的质量分数越高，畸变越大，内应力也越大。马氏体实质上就是碳溶入α－Fe中的过饱和间隙固溶体（α固溶体）。

图5－15　w_C对马氏体强度与硬度的影响

马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体的碳的质量分数，如图5－15所示。当w_C＜0．2%时，可获得尺寸大体相同的呈一束束平行条状马氏体，称为板条状马氏体，如图5－16（a）所示。组织为板条状马氏体钢的，具有较高的硬度和强度，较好的塑性和韧性。当马氏体中w_C＞ 0．6%时，会得到针片状马氏体，如图5－16（b）所示。针片状马氏体具有很高的硬度，但塑性和韧性很差，脆性大。当w_C在0．2%～0．6%时，低温转变得到板条状马氏体与针片状马氏体混合组织。随着碳的质量分数的增加，板条状马氏体数量减少而针片状马氏体数量增加。

图5－16　马氏体的光学显微组织

马氏体相变是在M_s～M_f（共析钢为－50～240℃）之间进行的。实际进行马氏体转变的淬火处理时，冷却后马氏体转变只进行到室温，这时，奥氏体不能全部转变为马氏体，还有少量的过冷奥氏体未发生马氏体转变而残留下来，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，而且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，生产中对硬度要求高或精度要求高的工件，淬火后要迅速置于接近M_f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。

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过冷奥氏体等温转变曲线相比，亚共析钢的C曲线上多出一条先共析铁素体的析出线，如图5－17（a）所示。而过共析钢的C曲线上多出一条先共析二次渗碳体的析出线，如图5－17（b）所示。

2．影响C曲线的因素

C曲线揭示了过冷奥氏体在等温冷却时组织转变的规律。各种因素对奥氏体等温转变的影响均反映在C曲线上。C曲线越向右移，表明过冷奥氏体越稳定，过冷奥氏体的转变速度越慢。由于多数钢的M_f在室温以下，随M_s和M_f的降低，钢淬火冷到室温时残余奥氏体会增加。影响C曲线的因素很多，主要有如下几个。

1）碳的质量分数

随着奥氏体中碳的质量分数的增加，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曲线随碳的质量分数的增加而右移，过共析钢的C曲线则随碳的质量分数的增加而左移。因为过共析钢碳的质量分数的增加，未溶解的渗碳体增多，它们能作为结晶核心促使奥氏体分解，故在钢中，共析钢的过冷奥氏体最稳定。

此外，奥氏体中碳的质量分数越高，M_s点就越低。例如，亚共析钢的M_s点的温度一般在300℃以上，而共析钢的M_s点已降低到200℃以下。

图5－17　亚共析钢和过共析钢的等温转变曲线

2）合金元素

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

3）加热温度和保温时间

随着加热温度的升高和保温时间的延长，奥氏体晶粒长大，晶界面积减少，从而使奥氏体成分更加均匀，从而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。

二、过冷奥氏体连续冷却转变

图5－18　共析钢CCT曲线

1．过冷奥氏体的连续冷却转变曲线（CCT曲线）

大多数热处理工艺都是在连续冷却过程中完成的，所以，钢的连续冷却转变曲线更具有实际意义。连续冷却转变曲线是用实验方法来测定的。将一组试样加热到奥氏体化后，以不同冷却速度连续冷却，测出其奥氏体转变开始点和终止点的温度和时间，并在温度－时间（对数）坐标系中，分别连接不同冷却速度的开始点和终止点，即可得到连续冷却转变曲线，也称为CCT曲线。图5－18所示为共析钢CCT曲线，图中P_s和P_f分别为过冷奥氏体转变为珠光体的开始线和终止线，两线只是转变的过渡区，KK′线为转变的终止线，当冷却到达此线时，过冷奥氏体便终止向珠光体转变，一直冷却到M_s点又开始发生马氏体转变，所以，共析钢在连续冷却的过程中，不发生贝氏体转变，因而也就没有贝氏体组织出现。

由图5－18可知，共析钢以大于v_k的速度冷却时，由于遇不到珠光体转变线，可得到的组织为马氏体和残余奥氏体。冷却速度v_k称为上临界冷却速度。v_k越小，越易得到马氏体。冷却速度小于v′_k时，将全部转变为珠光体，v′_k称为下临界冷却速度。v′_k越小，退火所需的时间就越长。冷却速度在v_k～v′_k之间（如油冷）时，在到达KK′线之前，奥氏体部分转变为珠光体，从KK′线到M_s点，残余奥氏体停止转变，直到M_s点以下，才开始马氏体转变。到M_f点，马氏体转变完成，得到的组织为马氏体和屈氏体。若冷却到M_s和M_f之间，则得到的组织为马氏体、屈氏体和残余奥氏体。

2．CCT曲线与C曲线的比较和应用

将相同条件下奥氏体冷却测得的共析钢CCT曲线和C曲线叠加在一起，如图5－19所示，其中，虚线为连续冷却转变曲线。由图5－19可以看出，连续冷却时，过冷奥氏体的稳定性增加，奥氏体完成珠光体转变的温度更低，时间更长。根据实验，等温转变速度大约是连续冷却的1．5倍。

图5－19　共析钢CCT曲线和C曲线比较

连续冷却转变曲线能准确反映在不同冷却速度下，转变温度、时间及转变产物之间的关系，可直接用于制定热处理工艺规范。一般手册中给的CCT曲线中除有曲线的形状和位置外，还给出某种钢的几种不同冷却速度，所经历的各种转变及得到的组织和性能（硬度），还可以清楚知道钢的临界冷却速度等。这是制定淬火方法和选择淬火介质的重要依据。与CCT曲线相比，C曲线更容易测定，并可以用其制定等温退火、等温淬火等热处理工艺规范。目前，C曲线的资料比较充分，而有关CCT曲线的资料则仍然缺乏，因此，利用C曲线估算连续冷却转变产物的组织和性能，仍具有重要的现实意义。如图5－19所示，v₁相当于炉冷（退火），转变产物为珠光体；v₂和v₃相当于不同速度的空冷（正火），转变产物为索氏体和屈氏体；v₄相当于油冷，转变产物为屈氏体、马氏体和残余奥氏体；v₅相当于水冷，转变产物为马氏体和残余奥氏体。