钢在冷却时的组织转变
冷却是热处理的关键工序。成分相同的钢，奥氏体化后，采用不同方式冷却，将获得不同的力学性能。T8钢不同方式（速度）冷却后的硬度见表8-1。
表8-1 T8钢不同方式（速度）冷却后的硬度（ϕ10mm，加热至800℃）
在实际生产中，奥氏体冷却速度较快，要过冷到A1温度以下才发生转变，在A1温度以下暂存的奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体冷却转变方式有两种，即等温转变与连续冷却转变。等温转变是指工件奥氏体化后，冷却到临界点（Ar1或Ar3）以下等温保持时过冷奥氏体发生的转变；连续冷却转变是指工件奥氏体化后以不同冷却速度连续冷却时过冷奥氏体发生的转变。
图8-2 共析钢等温转变图（C曲线）
（1）过冷奥氏体的等温转变
1）等温转变图（C曲线）。等温转变图是用试验方法求得的。将若干钢试片奥氏体化后，分别迅速放入到A1以下不同温度（如710℃、650℃、600℃……）的恒温盐浴槽中，等温不同时间后淬水，观察、测定其组织，将试验结果在温度-时间坐标图上绘制成曲线，即等温转变图，又称“C曲线”，如图8-2所示。
由图8-2可以看出，左边曲线为过冷奥氏体等温转变开始线，右边曲线为过冷奥氏体等温转变终了线。A1线以上是奥氏体稳定区；A1线以下，转变开始线左方是过冷奥氏体区；A1线以下，转变终了线右方是转变产物区；转变开始线和转变终了线之间是过冷奥氏体与转变产物共存区。转变开始线与纵坐标轴之间的时间为孕育期，在等温转变图拐弯的“鼻尖”处（约550℃），孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定。水平线Ms为过冷奥氏体转变为马氏体的开始线，约230℃；水平线Mf为马氏体转变终了线，约-50℃。
2）过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能。按温度高低和产物组织不同，过冷奥氏体转变可分为珠光体转变，贝氏体转变，见表8-2。
表8-2 共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能
注：1.共析钢过冷奥氏体在A1～550℃范围内等温转变成珠光体。其转变过程也是形核和晶核长大过程。等温过程温度越低，形成的珠光体越细，强度、硬度越高，塑性、韧性有所改善。
2.共析钢过冷奥氏体在550℃～Ms范围内等温转变成贝氏体。在550～350℃等温形成的上贝氏体组织呈羽毛状，强度、塑性、韧性较差，生产上很少使用；在350℃～Ms等温形成的下贝氏体呈黑色针（片）状，有较高的强度、良好的塑性和韧性。
3.亚共析钢碳含量低于共析成分，过冷奥氏体等温转变的特征为经过一段孕育期，在等温转变图“鼻尖”上部区域等温时，亚共析钢先析出铁素体，然后进行珠光体转变，得到铁素体和珠光体组织；同样的道理，过共析钢碳含量高于共析成分，过冷奥氏体等温转变时先析出渗碳体，然后进行珠光体转变，得到渗碳体和珠光体组织。(https://www.daowen.com)
（2）过冷奥氏体的连续冷却转变
在热加工或热处理工艺中，加热到奥氏体状态的钢，大多数是以不同方式连续冷却下来的，例如在炉内、空气、油或水槽中冷却。
1）连续冷却转变图。将奥氏体化的钢以不同冷却速度冷至室温，并在冷却过程中记录下开始和终止转变点（以及相同转变量的点）连成曲线，便得到连续冷却转变图。共析钢连续冷却转变图只出现珠光体和马氏体转变区，而无奥氏体转变区。因为贝氏体转变的孕育期随温度下降而延长，在连续冷却时，温度下降很快，在贝氏体转变区停留时间很短，达不到所要求的孕育期的缘故。
2）等温转变图在连续转变中的应用。由于测定连续冷却转变图比较困难，所以目前在热处理实践中，还常应用等温转变图近似地分析奥氏体在连续冷却中的转变情况。共析钢的连续冷却转变如图8-3所示。
图8-3中v1、v2、v3、v4、vk和vc为不同冷却速度下的冷却曲线。v1的冷却速度相当于钢件在炉中缓冷，根据它与等温转变曲线相交的位置，可估计出过冷奥氏体将转变为珠光体；v2相当于空冷，奥氏体将转变为索氏体；v3相当于油冷，一部分奥氏体先转变为托氏体，其余的奥氏体将冷却到Ms线以下变成马氏体，最后转变产物为托氏体+马氏体的混合组织；v4相当于水冷，它不与等温转变曲线相交，一直冷到Ms线以下转变成马氏体。冷却速度vc与等温转变曲线（左）相切，为钢的上临界冷却速度。vk为钢的下临界冷却速度。临界冷却速度是过冷奥氏体全部过冷到Ms线以下转变为马氏体的最低冷却速度，在热处理工艺中有着十分重要的意义。
3）过冷奥氏体连续冷却转变产物的组织与性能（表8-3）。
图8-3 共析钢的连续冷却转变
表8-3 共析钢过冷奥氏体连续冷却转变产物（估计）的组织与性能
4）马氏体转变（Ms～Mf）。
① 由图8-3可知，当冷却速度大于vc时，奥氏体被过冷到Ms线以下，发生马氏体转变。因温度低，碳原子难以扩散，γ-Fe迅速转变为α-Fe晶格，原来固溶在奥氏体中的碳被迫全部保留在α-Fe晶格中，形成碳在α-Fe中的过饱和固溶体，称为马氏体，用“M”表示。
② 马氏体的形态有两种，主要取决于奥氏体中的碳含量，当wC﹥1.0%时，形成片状（针状）高碳马氏体，性能硬而脆；当wC<0.20%时，形成板条状低碳马氏体，有较好的强韧性；当wC＝0.20%～1.0%时，形成片状+板条状马氏体的混合组织。马氏体的强度、硬度随碳含量增加而升高，当wC﹥0.60%后，强度、硬度升高不明显。
③马氏体转变是在Ms～Mf温度范围内连续冷却时进行的。随着温度的降低，马氏体数量增多，冷却停止，马氏体转变也终止。因此，淬火至室温时，马氏体转变不能进行到底，总有少量残留奥氏体（符号A′或A残）存在。残留奥氏体的存在降低了淬火钢的硬度、耐磨性，且在零件长期使用中残留奥氏体会继续转变为马氏体，使零件尺寸变化、精度降低。高精度零件（如精密丝杠、精密模具等）淬火后要进行冷处理，尽量减少残留奥氏体。