钢在冷却时的组织转变
钢经加热保温获得奥氏体后，冷却降至A1以下时，过冷奥氏体（A1以下温度存在的不稳定奥氏体）将发生组织转变。Fe-Fe3C相图虽然揭示了在缓慢加热或冷却条件下，钢的成分、温度和组织之间的变化情况，但是不能表示实际热处理冷却条件下钢的组织转变规律。
热处理时采用不同的冷却方式，钢可转变为具有不同性能的多种组织。45钢经840℃加热在不同条件下冷却后的力学性能见表4-1。
表4-1 45钢经840℃加热在不同条件下冷却后的力学性能
在热处理工艺中，常采用等温冷却和连续冷却两种冷却方式，如图4-6所示。
图4-6 两种冷却方式示意图
1—等温冷却 2—连续冷却
1.等温冷却转变
钢经奥氏体化后，迅速冷至临界点（Ar1或Ar3）以下等温保持时，过冷奥氏体发生的转变称为等温转变。
综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下等温温度、保持时间与转变产物所占的百分数（转变开始及转变终止）的关系曲线称为过冷奥氏体等温转变图（简称为等温转变图）。由于等温转变图通常呈“C”形状，所以俗称为C曲线。等温转变图是用于分析钢在A1线以下不同温度进行等温转变所获产物的重要工具。
（1）等温转变图的建立 钢的等温转变图是用实验方法建立的，如采用金相法、膨胀法、磁性法、电阻法和热分析法等。下面以共析钢为例来说明金相法等温转变图的建立过程。如图4-7所示，测量步骤如下：
1）将共析钢制成若干组小试片，同时加热到奥氏体区域，保温一定时间。
2）将奥氏体化的小试片分别迅速投入不同温度（如700℃、650℃、600℃、550℃、450℃、350℃、200℃……）的恒温盐浴中等温。
3）测出并记录在不同温度下等温时，过冷奥氏体转变开始和转变终了所需时间。
4）将测出的数据描绘在温度-时间坐标系中，并将转变开始点和转变终了点分别用光滑曲线连接起来，这样就得到了共析钢过冷奥氏体等温转变图。
（2）等温转变图分析 图4-7b为共析钢等温转变图，其中aa′线为过冷奥氏体转变开始线，bb′线为过冷奥氏体转变终了线；A1线为相变临界温度线，Ms线与Mf线分别为马氏体开始转变温度线与转变终了温度线。
A1线以上为奥氏体稳定存在区域，aa′线以左为过冷奥氏体区，bb′线以右为转变产物区，aa′线与bb′线之间是过冷奥氏体与转变产物共存区，Ms线与Mf线之间为过冷奥氏体转变为马氏体区。
图4-7 共析钢等温转变图及其建立示意图
a）共析钢奥氏体等温转变图建立示意图 b）共析钢等温转变图
过冷奥氏体在各个温度等温转变时并不是立即发生组织转变，而是都需经历一段“孕育期”（从到达该温度至开始发生组织转变所经历的时间）。孕育期越长，过冷奥氏体越稳定；反之，则越不稳定。显然，过冷奥氏体在不同温度下的稳定性是不同的。在等温转变曲线的“鼻尖”处（约550℃），其孕育期最短，此时过冷奥氏体最不稳定，最容易转变；在A1线稍下和Ms线稍上温度时，过冷奥氏体最稳定，孕育期最长。
（3）过冷奥氏体等温转变产物及性能 过冷奥氏体等温转变的温度区间不同，其转变产物也不同。通常在Ms线以上，可发生以下两种类型的转变：
1）珠光体型转变：温度范围为A1～550℃，也称过冷奥氏体的高温转变。在此温度范围内等温时，过冷奥氏体分解为铁素体和渗碳体混合而成的片层状组织。实验表明，珠光体型转变温度越低，转变产物的片层间距越小。按片层间距由粗到细，其转变组织分别称为珠光体、索氏体和托氏体，分别用符号P、S和T表示。
珠光体型组织具有一定的强度、硬度和韧性，其力学性能与珠光体片层间距有关，片层间距越小，则塑性变形抗力越大，强度和硬度越高，塑性也有所改善。(https://www.daowen.com)
2）贝氏体型转变：温度范围为550℃～Ms，也称为过冷奥氏体的中温转变。此温度下过冷奥氏体转变为贝氏体型组织。贝氏体型组织是由过饱和的铁素体和碳化物组成的。
根据形成温度的不同，贝氏体分为上贝氏体和下贝氏体，分别用B上和B下表示。通常把550～350℃范围内形成的贝氏体称为上贝氏体，它在金相显微镜下呈羽毛状；把350℃～Ms范围内形成的贝氏体称为下贝氏体，它在显微镜下呈黑色针状或片状。下贝氏体组织通常具有优良的综合力学性能，即强度和韧性都较高。
共析钢等温转变产物及性能见表4-2。由表4-2可见，过冷奥氏体的等温转变温度越低，其转变组织就越细小，强度、硬度也就越高。
表4-2 共析钢等温转变产物及性能
（4）亚共析钢和过共析钢的等温转变图 亚共析钢和过共析钢的等温转变图与共析钢等温转变图的区别是在等温转变曲线的上方各增加了一条线。在亚共析钢等温转变曲线中，该线表示先共析铁素体线，如图4-8a所示；对于过共析钢，该线则是先共析渗碳体线，如图4-8b所示。
图4-8 亚共析钢和过共析钢的等温转变曲线
a）亚共析钢的等温转变曲线 b）过共析钢的等温转变曲线
2.连续冷却转变
实际进行的热处理常常是在连续冷却条件下进行的，过冷奥氏体在一个温度范围内发生连续转变，此时往往几种转变重叠出现，得到的组织常常是不均匀的和复杂的。由于连续冷却转变曲线的测定较为困难，而连续冷却转变可以看作是由许多温度相差很小的等温转变过程所组成的，所以连续冷却转变得到的组织可认为是不同温度下等温转变产物的混合物。故生产中常用等温转变曲线近似地分析连续冷却过程。
图4-9 在等温转变曲线上估计 连续冷却时的组织转变
（1）等温转变曲线在连续冷却转变中的应用 图4-9所示为在共析钢的等温转变图上估计连续冷却时的转变情况。图4-9中冷却速度v1（炉冷）、v2（空冷）、v3（油冷）、v4（水冷）代表热处理中四种常用的连续冷却方式，其中v1＜v2＜v＜v4。
冷却速度v1比较缓慢，相当于随炉冷却（退火的冷却方式），它分别与等温转变曲线的转变开始线和转变终了线相交于1、2点，这两点位于等温转变曲线上部珠光体转变区域，估计它的转变产物为珠光体，硬度为170～220HBW。
冷却速度v2相当于在空气中冷却（正火的冷却方式），它分别与等温转变曲线的转变开始线和转变终了线相交于3、4点，位于等温转变曲线珠光体转变区域中下部分，故可判断其转变产物为索氏体，硬度为25～35HRC。
冷却速度v3相当于在油中冷却（在油中淬火的冷却方式），与等温转变曲线的转变开始线交于5、6点，没有与转变终了线相交，所以仅有一部分过冷奥氏体转变为托氏体，其余部分在冷却至Ms线以下时转变为马氏体组织，因此，转变产物应是托氏体和马氏体的混合组织，硬度为45～55HRC。
冷却速度v4相当于在水中冷却（在水中淬火的冷却方式），它不与等温转变曲线相交，过冷奥氏体将直接冷却至Ms以下进行马氏体转变，最后得到马氏体和残留奥氏体组织，硬度为55～65HRC。
冷却速度vk与等温转变曲线的转变开始线相切，这时过冷奥氏体不发生分解，全部过冷到Ms线以下，为马氏体转变所需要的最小冷却速度，称为马氏体临界冷却速度。
（2）马氏体转变 过冷奥氏体在Ms线以下发生的转变称马氏体转变。马氏体转变通常在连续冷却时进行。
马氏体转变属于过冷奥氏体的低温转变，抑制了过冷奥氏体的分解，转变只通过晶格改组而无成分变化，即奥氏体中固溶的碳全部保留在马氏体点阵之中。这种碳在α-Fe中的过饱和固溶体称为马氏体，用符号“M”表示。
马氏体转变是钢件热处理强化的主要手段。马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体中的碳含量。随着马氏体中碳含量的提高，其强度与硬度也随之提高。低碳钢、马氏体时效钢、不锈钢等钢形成的马氏体组织通常呈板条状，其性能特点是具有良好的强度及一定的韧性；高碳钢及高镍的Fe-Ni合金形成的马氏体组织通常呈针叶状，其性能特点是硬度高、脆性大。
马氏体转变是在一定温度范围内（Ms～Mf）连续冷却时进行的，一旦在此范围内冷却终止，则过冷奥氏体向马氏体的转变也停止。在很多情况下，即使冷却到Mf点以下，也得不到100%的马氏体，因此马氏体转变具有不完全性。如果把奥氏体过冷到室温不能得到全部马氏体，而是保留一定量的奥氏体，这种在冷却过程中发生相变后仍在环境温度下存在的奥氏体称为残留奥氏体，用符号A′表示。残留奥氏体不仅降低钢件的硬度和耐磨性，而且影响钢件的尺寸稳定性。要使残留奥氏体继续向马氏体转变，就要将淬火钢继续冷却至室温以下（如冰柜可冷却至0℃以下；干冰+酒精可冷却至-78℃；液氮可冷却至-183℃），这种处理方法叫做冷处理。精密刀具、精密量具、精密轴承、精密丝杠等一些对尺寸精度要求高的工件均应在淬火后进行冷处理。
同时，马氏体转变的速度极快，一般不需要孕育期。由于马氏体的比体积[1]比奥氏体的比体积大，马氏体转变会引起钢的体积膨胀，同时，马氏体转变通常是在较大的冷却速度下完成的，钢件内外温差大，所以会产生很大的内应力，这是导致淬火钢出现变形和开裂的主要原因，应引起足够的重视。