冷却是热处理更重要的工序，因为钢的常温性能与其冷却后的组织直接有关。钢在不同的过冷度下可转变为不同的组织，包括平衡组织和非平衡组织。

一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程

处于临界点A1以下的奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。随过冷度不同，过冷奥氏体将发生三种类型转变，即珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。现以共析钢为例说明。

1、珠光体转变

过冷奥氏体在A1到550℃间将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物，根据片层厚薄不同，又可细分为：

① 珠光体  形成温度为A1-650℃，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示。如图5-5 所示。

② 索氏体  形成温度为650-600℃，片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S表示。如图5-6所示。

                                                                            

           ③ 托氏体  形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，用符号T表示。如图5-7所示。

                                                                                                 

这三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。片间距越小，钢的强度、硬度越高，同时塑性和韧性略有改善。

珠光体转变也是形核和长大的过程。如图5-8所示，渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团，一个晶粒可形成几个珠光体团。

珠光体转变是一种扩散型转变，即铁原子和碳原子均进行扩散。

2、贝氏体转变

过冷奥氏体在550℃ - Ms（对于共析钢，Ms 为230℃）间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号B表示。根据其组织形态不同，又分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）

①　上贝氏体 形成温度为550-350℃，在光镜下呈羽毛状，在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间，如图5-9所示。

                                                                                                           ② 下贝氏体 形成温度为350℃- Ms（230℃），在光镜下呈竹叶状，在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针上，并与铁素体针长轴方向呈55-60°角，如图5-10所示。

                                                                                                                            

上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。而下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。

贝氏体转变也是形核和长大的过程。发生贝氏体转变时，首先在奥氏体中的贫碳区形成铁素体晶核，其含碳量介于奥氏体与平衡铁素体之间，为过饱和铁素体。当转变温度较高（550-350℃）时,条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和变宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形成上贝氏体,如图5-11所示。当转变温度较低（350- 230℃）时，铁素体在晶界或晶内某        些晶面上长成针状，由于碳原子扩散能力低，其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出，形成下贝氏体，如图5-12所示。

贝氏体转变属半扩散型转变，即只有碳原子扩散而铁原子不扩散，晶格类型的改变是通过切变来实现的。

3、马氏体转变

当奥氏体过冷到Ms以下时将转变为马氏体类型组织。马氏体转变是强化钢的重要途径之一。

⑴ 马氏体的晶体结构

碳在α- Fe中的过饱和固溶体称为马氏体，用符号M表示。马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c），轴比c/a称马氏体的正方度，如图5-13所示。马氏体含碳量越高，其正方度越大，正方畸变也越严重。当含碳量小于0.25%时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格。

⑵ 马氏体的形态

钢中马氏体的组织形态可分为板条状和针状两大类，如图5-14和图5-15所示。

① 板条马氏体：其立体形态为细长的扁棒状，在光镜下为一束束的细条状组织，每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列，一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的马氏体束。在透射电镜下观察表明，板条内的亚结构主要是高密度的位错（r=1012/cm2），因而又称位错马氏体。

② 针状马氏体：其立体形态为双凸透镜形的片状，显微组织为针状。在透射电镜下观察表明，其亚结构主要是孪晶，因而又称孪晶马氏体。

在一个奥氏体晶粒内，先形成的马氏体片横贯整个晶粒，但不能穿过晶界和孪晶界，后形成的马氏体片不能穿过先形成的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片越细小。原始奥氏体晶粒细，转变后的马氏体片也细，当最大马氏体片细到光镜下无法分辨时，这种马氏体称为隐晶马氏体。

马氏体的形态主要取决于其含碳量。如图5-16所示，当含碳量小于0.2%时，转变后的组织几乎全部是板条马氏体，而当含碳量大于1.0%时，则几乎全部是针状马氏体。含碳量在0.2~1.0%之间为板条状与针状的混合组织。

⑶ 马氏体的性能

高硬度是马氏体性能的主要特点。马氏体的硬度主要取决于其含碳量，含碳量增加，其硬度也随之提高，当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓，如图5-17所示。合金元素对马氏体的硬度影响不大。马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。马氏体强化是钢的主要强化手段之一，已广泛应用于工业生产中。

马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针状马氏体脆性大，而板条马氏体具有较好的塑性和韧性。

⑷ 马氏体转变的特点

马氏体转变同样是一个形核和长大的过程。其主要特点是：

① 无扩散性  即铁和碳原子都不发生扩散，因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。

② 共格切变性  由于没有扩散，晶格的转变是以切变机制进行的。切变还使切变部分的形状和体积发生变化，引起相邻奥氏体随之变形, 在预先抛光的表面上产生浮凸, 如图5-18所示。

③ 降温形成  马氏体转变开始的温度称为上马氏体点，用Ms 表示。只要温度达到Ms以下即发生马氏体转变。在Ms以下，随温度下降，转变量增加，冷却中断，转变停止。马氏体转变终了温度称下马氏体点，用Mf表示。Ms、Mf与冷却速度无关，主要取决于奥氏体中的碳含量（见图5-19）及合金元素含量。

④ 高速长大  马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的马氏体产生微裂纹。

⑤ 转变不完全  即使冷却到Mf点，也不可能获得100%的马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，称为残余奥氏体（或称残留奥氏体、残存奥氏体），用A’或g’表示（或用A’、gR表示）。马氏体转变后的残余奥氏体量随含碳量的增加而增加，当含碳量达0.5%后，残余奥氏体量才显著，如图5-20所示。

二、过冷奥氏体转变图

在热处理中，通常有两种冷却方式，即等温冷却和连续冷却，如图5 - 21所示。过冷奥氏体转变图即为描述在这两种冷却方式下过冷奥氏体的转变量与转变时间之间关系的曲线图。过冷奥氏体转变图是对钢材进行热处理的重要依据。

1、 过冷奥氏体的等温转变图

过冷奥氏体的等温转变图是表示奥氏体急速冷却到临界点A1以下，在各不同温度下的保温过程中，其转变量与转变时间的关系曲线图，也称TTT曲线，因为其形状象字母C，所以又称C曲线。C曲线是利用热分析等方法获得的。

⑴ 共析钢C曲线的分析

共析钢C曲线如图5 - 22所示。两条C型曲线中，左边的一条与Ms线为过冷奥氏体转变开始线，右边的一条与Mf线为过冷奥氏体转变终了线。A1~Ms间及转变开始线以左的区域为过冷奥氏体区，转变终了线以右及 Mf 线以下为转变产物区。转变开始线与终了线之间及Ms 线与 Mf 线之间为转变区。

转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期，孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小。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。

此外，C曲线还明确表示了奥氏体在不同温度下的转变产物。

⑵ 影响C曲线的因素

影响C曲线的主要因素是奥氏体的成分和奥氏体化条件。

① 含碳量的影响  共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。由共析钢成分开始，含碳量增加或减少都使C曲线左移。而Ms与Mf点则随含碳量增加而下降。

与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢C曲线的上部还各多一条先共析相的析出线，如图5-23所示。因为在过冷奥氏体转变为珠光体之前，亚共析钢中要先析出铁素体，过共析钢中要先析出渗碳体。

                                                                                      ② 合金元素的影响  除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移。除Co和Al外，所有合金元素都使Ms与Mf点下降。碳化物形成元素含量较多时，还会使C曲线的形状发生变化，如图5-24所示。

③ 奥氏体化条件的影响  奥氏体化温度提高和保温时间延长，使奥氏体成分均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增加了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。因此，在使用C曲线时，必须注意奥氏体化条件及晶粒度的影响。

2、过冷奥氏体连续冷却转变图

在实际生产当中，热处理的冷却多采用连续冷却。因此，过冷奥氏体连续冷却转变图对于确定热处理工艺及选材更具实际意义。过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT曲线，它是通过测定不同冷却速度下过冷奥氏体的转变量获得的。

在碳钢中，共析钢的CCT曲线最简单，它没有贝氏体转变区，在珠光体转变区之下多了一条转变中止线K，如图5-26所示。当连续冷却曲线碰到转变中止线时，过冷奥氏体中止向珠光体转变，余下的奥氏体一直保持到Ms以下转变为马氏体。与TTT曲线相比，CCT曲线位于其右下方。

图5-25中的Vk为CCT曲线的临界冷却速度，即获得全部马氏体组织时的最小冷却速度。Vk’为TTT曲线的临界冷却速度，Vk’ » 1.5 Vk。显然，C曲线越靠右，Vk越小，过冷奥氏体越稳定。

由于CCT曲线获得困难，而TTT曲线容易测得，因而在手册中TTT曲线较多。可用TTT曲线定性说明连续冷却时的组织转变情况，方法是将冷却曲线绘在C曲线上，依其与C曲线交点的位置来说明最终转变产物，如图5-26所示。当冷却缓慢时（V1炉冷），过冷奥氏体转变为珠光体，冷却较快时（V2空冷），过冷奥氏体转变为索氏体。采用油冷时（V4），过冷奥氏体先有一部分转变为托氏体，剩余的奥氏体在冷却到Ms以下后转变为马氏体，其室温组织为T + M + A’。当冷却速度（V5水冷）大于Vk时，过冷奥氏体将在Ms以下直接转变为马氏体，其室温组织为M + A’。

过共析钢CCT曲线同样无贝氏体转变区，但比共析钢CCT曲线多一个A→Fe3C转变区。由于Fe3C的析出，使奥氏体中含碳量下降，因而Ms线右端升高，如图5-27所示。亚共析钢的CCT曲线中有贝氏体转变区，还多一个A→F转变区，由于铁素体析出使奥氏体含碳量升高，因而Ms线右端下降。