碳钢组织热处理冷却后金相组织分析

冷却是钢热处理的三个工序中影响性能的重要环节，钢件奥氏体化状态相同而冷却转变不同，可以生成不同的室温组织。

（1） 热处理冷却方式通常有两种，即等温冷却和连续冷却。

所谓等温转变是指将奥氏体化的钢件迅速冷却至Ar1以下某一温度并保温，使其在该温度下发生组织转变，然后再冷却至室温，见图4-23所示。

连续冷却则是将奥氏体化的钢件连续冷却至室温，并在连续冷却过程中发生组织转变。

图4-23  等温冷却和连续冷却

（2）过冷奥氏体的等温转变

所谓“过冷奥氏体”是指在相变温度A1以下，未发生转变而处于不稳定状态的奥氏体（A’）。在不同的过冷度下，反映过冷奥氏体转变产物与温度及时间关系的曲线称为过冷奥氏体等温转变的曲线。由于曲线形状像字母C，故又称为C曲线，如图4-24。

图4-24   共析钢过冷奥氏体等温转变曲线

共析钢过冷奥氏体在Ar1线以下不同温度会发生三种不同的转变，即珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。

a. 珠光体转变  共析成分的奥氏体过冷到Ar1～550℃高温区某温度等温停留时，将发生共析转变，转变产物为珠光体型组织，是由铁素体和渗碳体的层片组成的混合物。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）；在650～600℃范围内，片间距较小，称为索氏体（S）；在600～550℃范围内，片间距很小，称为屈氏体（T）。

珠光体组织中的片间距愈小，相界面愈多，强度和硬度愈高；同时由于渗碳体变薄，使得塑性和韧性也有所改善。

b. 贝氏体转变  共析成分的奥氏体过冷到550℃～Ms的中温区某温度停留时，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，贝氏体是由于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，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点温度范围内形成的。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。

c. 马氏体转变  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）。奥氏体为面心立方晶体结构，当快速冷却抑制珠光体转变和贝氏体转变发生，直接过冷至Ms以下时，其晶体结构将以切变方式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饱和碳原子没有能力扩散，致使所有溶解在原奥氏体中的碳原子难以析出，使马氏体体心立方晶格发生畸变，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4-5a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，如图4-5b所示。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在0.2%～0.6%之间时，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。

实际生产中，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。而实际淬火操作时，冷却只进行到室温，这时奥氏体不能全部转变为马氏体，还有部分奥氏体未发生转变而保留下来，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，生产中常对硬度要求高或精度要求高的工件，淬火后迅速将其置于低于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”。

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，除了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外，形态相似。通常，亚共析钢的C曲线随着含碳量的增加而向右移，过共析钢的C曲线随着含碳量的增加而向左移。故在碳钢中，共析钢的C曲线最靠右，其过冷奥氏体最稳定。

（3）过冷奥氏体连续冷却转变

在实际生产中，奥氏体的冷却转变大多是在连续冷却过程中进行，故有必要对过冷奥氏体的连续冷却转变曲线有所了解。它也是由实验方法测定的，与等温转变曲线的区别在于连续冷却转变曲线位于曲线的右下侧，且没有C曲线的下部分，即共析钢在连续冷却转变时，得不到贝氏体组织。这是因为共析钢贝氏体转变的孕育期很长，当过冷奥氏体连续冷却通过贝氏体转变区内尚未发生转变时就已过冷到Ms点而发生马氏体转变，所以不出现贝氏体转变。连续冷却转变曲线又称CCT图，如图4-25所示。

图2-25 连续冷却转变曲线CCT图

图中Ps和Pf表示A→P的开始线和终了线，K线表示A→P的终止线，若冷却曲线碰到K线，这时A→P转变停止，继续冷却时奥氏体一直保持到Ms点温度以下转变为马氏体。

称为临界冷却速度，也称为上临界冷却速度 ,它是获得全部马氏体组织    

的最小冷却速度。 愈小，钢在淬火时越容易获得马氏体组织，即钢接受淬火的能力愈大。 为下临界冷却速度，是保证奥氏体全部转变为珠光体的最大冷却速度。 越小，则退火速度所需时间越长。