刚获得马氏体组织的条件是什么

冷却方式直接影响着钢的相变。需要热处理的零件，加热以后的冷却方式有两种。

（1）等温冷却。把加热到奥氏体的钢，先以较快的冷却速度过冷到A1线以下的一定温度，这时的奥氏体尚未转变，称为过冷奥氏体。然后保持此温度，使奥氏体在恒温下进行转变，转变结束后，再继续冷却到室温，称为等温冷却，用这种冷却方式研究钢在冷却过程中的组织转变较为方便。

（2）连续冷却。把加热到奥氏体的钢，以某种速度连续冷却下来，使奥氏体在A1线以下的连续冷却过程中发生组织转变，称为连续冷却。钢在水中、油液中进行冷却，都属于连续冷却。连续冷却在生产中应用普遍。

3.2.1 奥氏体等温转变曲线的建立

以共析钢为例，把一些试样都加热到奥氏体状态，然后分别快速冷却到A1线以下不同温度，如700℃、600℃、500℃、400℃、300℃、200℃等，并在恒温条件下，通过仪器和测量手段，测出奥氏体在不同温度下开始转变和转变结束的时间，转变的产物和性能，描绘在以温度、时间为坐标的图上，并把开始转变点和转变结束点连成线，就成为共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线，如图3－5所示。

过冷奥氏体等温转变曲线形似字母“C”，习惯上称为C曲线。从C曲线上可以了解到不同温度下转变的产物，供制定热处理工艺时参考。

图3－5 共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线

3.2.2 共析钢过冷奥氏体等温转变的产物

从C曲线上可以看出：在不同温度下，奥氏体的转变产物和性能均不同。根据转变产物的组织、特征，可将奥氏体转变的产物分为三种类型。

1.高温转变产物

共析钢奥氏体过冷到727℃～550℃之间进行等温转变得到的最终产物，其显微组织属于珠光体类型，都是由铁素体和渗碳体的层片状组织构成的机械混合物。过冷度越大，层片就越细，强度和硬度就越高。

过冷到727℃～650℃之间得到的产物属于正常珠光体（P）。过冷到650℃～600℃之间得到的产物属于细珠光体，称为索氏体（S），其层片状组织较珠光体细，故强度和硬度较高。过冷到600℃～550℃之间，得到的产物属于极细珠光体，称为托氏体（T）。转变后得到的层片状组织更细，在一般金相显微镜下分辨不出层片形态，要用电子显微镜才能看清层片组织。其强度、硬度又有所提高。

珠光体、索氏体和托氏体都是由渗碳体和铁素体组成的机械混合物。它们之间的区别仅在于层片组织的粗细不同而已，所以统称为珠光体类型。

2.中温转变产物

共析钢奥氏体过冷到550℃～230℃之间进行等温转变得到的最终产物，属于贝氏体型组织。它们都是由含碳过饱和的铁素体和微小的渗碳体混合而成，较珠光体型组织有更高的硬度。

根据转变产物的形态及转变温度，可将贝氏体型组织分为上贝氏体和下贝氏体两种。在550℃～350℃之间转变得到的产物称为上贝氏体（B上）。其组织特征为一排排由晶界向晶内生长的铁素体条，在铁素体条之间断续地分布着渗碳体。这种组织在显微镜下呈羽毛状，其强度和硬度比珠光体型组织的高，而塑性和韧度较差。在350℃～230℃之间转变得到的产物称为下贝氏体（B下）。它由含碳过饱和度更大的铁素体构成，铁素体并呈黑色针叶状形态，碳化物呈非常细小的质点，有规律地排列在铁素体里面。下贝氏体既有较高的强度和硬度，又有较高的塑性和韧度。从性能上讲，上贝氏体脆性大，基本上无实用价值，而下贝氏体则具有较高的硬度、强度、塑性和韧度相配合的综合力学性能。因此，生产中常采用等温淬火来得到下贝氏体组织。

高温、中温转变产物的组织和性能见表3－1。

表3－1 高温、中温转变产物的组织和性能

3.低温转变产物

共析钢奥氏体过冷到230℃（Ms）以下，就转变为马氏体。此时，温度已低至使碳原子无法进行扩散，只有铁原子可在原子间进行小间距活动。当γ－Fe转变成α－Fe后，碳原子只能保留在α－Fe晶格中间，所以，马氏体实际上就是碳在α－Fe中的过饱和固溶体，其特征是非扩散型的组织。

马氏体转变的另一特征是在奥氏体冷却到马氏体开始转变的温度Ms时，立即形成一定量的马氏体。若在Ms温度下保持恒温，就不会有新的马氏体形成；只有继续冷却，才会产生新的马氏体，而原有的马氏体并不长大。马氏体转变量与其转变温度有关，平衡后与时间无关。

马氏体转变的第三个特征是在Ms点温度以下，每一个不同温度都有相应的马氏体量。温度愈低，马氏体量愈多，至Mf点时，奥氏体转变为马氏体的过程才停止。

马氏体转变的第四个特征是具有不完全性。共析钢奥氏体冷却到室温时，还有3％～6％的奥氏体不能转变为马氏体。这部分奥氏体称为残余奥氏体。残余奥氏体可使钢的强度和硬度降低，但能减小淬火钢的变形。

为了消除残余奥氏体，可将淬火钢件放到摄氏零度以下的介质中继续冷却，使残余奥氏体继续转变为马氏体。这种冷处理的温度取决于马氏体转变终了时的温度Mf，一般冷处理温度为－50℃～－80℃。

马氏体是碳在α－Fe中的过饱和固溶体，硬度和比容（即每个晶胞所占的体积）较大。奥氏体比容最小，马氏体比容最大，珠光体和贝氏体的比容处于两者之间。这种比容的差异，就引起了马氏体形成时的组织应力，使淬火工件产生脆性和变形。

马氏体的组织形态通常分为两类：板条状马氏体和针片状马氏体。板条状马氏体又称块状马氏体，其显微组织为一束束细长、板条状组织，一般在含碳量较低的淬火钢中出现。针片状马氏体又称为针状马氏体，其显微组织呈交叉的针叶状，一般在含碳量较高的淬火钢中出现。先形成的马氏体可横贯整个马氏体晶粒，但不穿过晶界。后形成的马氏体，成一定角度排列，但不穿过先形成的马氏体片。所以，越是后形成的马氏体片尺寸就越小。马氏体的片状大小，对钢的硬度没有影响，但粗大的马氏体针叶会降低钢的韧度。奥氏体的晶粒愈细，淬火后所得到的马氏体针叶愈小，钢的韧度也就愈高。

马氏体的硬度和强度主要取决于马氏体中的含碳量，而马氏体中的含碳量与原来奥氏体中的含碳量相同。当奥氏体中的含碳量超过0.5％时，随含碳量的增加，淬火后钢中残余奥氏体的量增多，硬度就会有所下降。

针片状马氏体硬度高、脆性大；板条状马氏体不仅硬度、强度较高，且韧度较高、塑性也较好。近年来，在生产中日益广泛地采用低碳马氏体。

马氏体的电阻率比奥氏体和珠光体高，还具有强磁性和高矫顽力，所以，永久磁铁材料多为马氏体组织。

3.2.3 亚共析钢和过共析钢的等温转变曲线

亚共析钢和过共析钢的过冷奥氏体在转变为珠光体之前，要分别析出先析铁素体和先析渗碳体。因此，与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢的等温转变曲线均多了一条先析相的析出线，如图3－6所示。同时C曲线位置也相对左移，说明亚共析钢和过共析钢的过冷奥氏体的稳定性比共析钢的差。

图3－6 亚共析钢、共析钢和过共析钢等温转变曲线比较

3.2.4 奥氏体等温转变曲线的应用

在生产中，奥氏体的转变多是在连续冷却过程中进行的，而连续冷却的奥氏体转变曲线的测定比较困难，所以，一般连续冷却的热处理，常以等温转变C曲线作为依据来分析连续冷却的过程，如图3－7所示。冷却速度v1相当随炉冷却（退火）的速度，从与C曲线相交点的温度（在727℃～650℃之间）可以估计出转变组织为珠光体。冷却速度v2相当于空冷（正火）的速度，根据和C曲线相交点的温度可估计出转变组织为索氏体。v3相当于油冷的速度，它只与珠光体开始转变曲线相交，故只有一部分奥氏体转变为托氏体，而剩余的部分奥氏体随后在更低温度下转变为马氏体，结果得到托氏体与马氏体的混合组织。v4相当于水冷的速度，它与C曲线不相交，奥氏体一直过冷到Ms以下时转变为马氏体和少量残余奥氏体。vK恰恰与C曲线鼻尖相切，它表示奥氏体在连续冷却过程中不分解为珠光体型组织，而转变为马氏体和少量残余奥氏体的最小冷却速度，vK称为临界冷却速度。用奥氏体等温转变C曲线来分析连续冷却转变过程，只能近似地反映奥氏体转变的过程。

图3－7 在等温转变曲线上估计连续冷却时组织转变的情况

vK的大小与C曲线的位置有关。除CO外，大多数合金元素能使C曲线位置右移而降低vK。含碳量低于0.77％时，含碳量越低，钢的C曲线位置越向左移，而vK就越大。所以，45钢必须水冷才能获得马氏体，而低碳钢则因vK过高，工艺上无法实现而难以淬硬。