9.1.2 钢的冷却转变
同一种钢加热到奥氏体状态后，由于尔后的冷却速度不一样，奥氏体转变成的组织不一样，因而所得的性能也不一样。研究奥氏体冷却转变常用等温冷却转变曲线，即TTT曲线（过冷奥氏体在一定温度下随时间变化组织转变情况）及连续冷却转变曲线，即CCT曲线（过冷奥氏体依冷却速度变化组织转变情况）。TTT曲线是选择热处理冷却制度的参考，CCT曲线更能反映热处理冷却状况，作为选择热处理冷却制度的依据。 9.1.2.1 过冷奥氏体等温转变曲线
当温度在A1以上时，奥氏体是稳定的，不发生分解。当温度降到A1以下后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体。过冷A是不稳定的，会转变为其它的组织。钢在冷却时的转变，实质上是过冷A的转变，而过冷A的转变也是一个点阵重构和C的扩散过程。
一、过冷奥氏体的等温转变曲线
定义：过冷A向其他组织转变的转变量与等温保温时间的关系曲线（TTT曲线－Time Temperature Transformation或C曲线或IT曲线－Isothermal Transformation）。 测定方法： 金相－硬度法 膨胀法 磁性法 热分析法等
二、共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线
孕育期：过冷A从过冷到转变开始这段时间，其长短反应了过冷A的稳定性大小。C曲线中，鼻尖处（550℃）的孕育期最短，过冷A稳定性最小。 为何不同温度下过冷A稳定性不同？
过冷度较小时，由于过冷A和P之间的自由能差较小（相变驱动力较小），过冷A727℃
比较稳定，故孕育期很长，转变所需总时间也很长;
温度下降，过冷度增大，新旧相之间的自由能差不断加大，过冷A的稳定性最低，孕育期最短，转变速度最快；
继续降低温度，新旧相的自由能差不再起主导作用，原子扩散能力起主导作用，温度降低使扩散过程越来越困难，过冷A的孕育期和转变时间逐渐增长。
三、亚共析钢过冷A的等温转变曲线
亚共析钢的过冷A等
温转变曲线与共析钢C曲线不同的是，在其上方多了一条过冷A转变为铁素体（F）的转变开始线。亚共析钢随着含碳量的减少，C曲线位置往
左移，同时Ms、Mf线住上移。
亚共析钢的过冷A等温转变过程与共析钢类似。只是在高温转变区过冷A将先有一部分转变为F，剩余的过冷A再转变为P型组织。 四、过共析钢过冷A的等温转变曲线
过共析钢过冷A的C曲线的上部为过冷A中析出二次渗碳体(Fe3CII)开始线。当加热温度为Ac1以上30－50℃时，过共析钢随着含碳量的增加，C曲线位置向左移，同时Ms、Mf线往下移。 过共析钢的过冷A在高温转变区，将先析出Fe3CII，其余的过冷A再转变为珠光体型组织。
9.1.2.2 过冷奥氏体的转变及其产物 奥氏体冷却到A1温度以下，由于过冷A的自由能较其他组织的自由能高，所以将向其他组织转变。
高温转变区(A1－550℃的珠光体转变区) 中温转变区( 550℃－MS的贝氏体转变区) 低温转变区( MS以下的马氏体转变区) 一、高温转变（P转变）
转变温度： A1－550℃（扩散型转变）
转变产物：珠光体型组织 ，是铁素体和渗碳体的机械混合物，渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上；转变温度越低，层间距越小。按层间距大小，珠光体组织分为： 珠光体（P） 索氏体（S） 屈氏体（T）
过冷A高温转变产物的形成温度和性能 名 称 符号 形成温度/℃ 硬 度 能分辩片层的放大倍数 <500× >800× >2000× 珠光体 索氏体 屈氏体 P S T A1~650 650~600 600~550 170~200HB 25~35HRC 35~40HRC 实际上，这三种组织都是珠光体，并无本质差别，且无严格的温度界限，其差别只是珠光体组织的“片间距”大小；形成温度越低，片间距越小，组织的硬度越高，屈氏体的硬度高于索氏体和粗珠光体
二、中温转变（B转变）(半扩散型转变） 转变温度： 550℃－MS(240℃)
转变产物：贝氏体－渗碳体分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物 。
550 ℃－350 ℃：上贝氏体（上B)，呈羽毛状，微观上为小片状的渗碳体分布在成排的铁
素体片之间。
350 ℃－Ms：下贝氏体（下B），在光学显微镜下为黑色针状，在电子显微镜下可看到在铁素体针内沿一定方向分布着细小的碳化物（Fe2.4C）颗粒。 转变产物性能
上贝氏体：铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；同时渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断，因此强度和韧性都较差。
下贝氏体：铁素体针细小，无方向性，碳的过饱和度大，位错密度高，且碳化物分布均匀、弥散度大，所以硬度高，韧性好，具有较好的综合机械性能。 三、低温转变（M转变）(非扩散型转变）
马氏体：C在α-Fe中的过饱和间隙固溶体，具有很大的晶格畸变，强度很高。
马氏体转变：钢从A状态快速冷却，在较低温度（Ms－Mf ）下发生的无扩散型相变。（广义上讲，凡是相变基本特征属于M型的转变产物都称为M，该过程称为M转变。） 马氏体转变是强化金属的主要途径之一，大多数工件、零件都需要淬火和回火获得最终的使用性能。
钢、许多有色金属和合金以及陶瓷材料等均有马氏体转变。 9.1.2.3 过冷奥氏体连续冷却转变曲线 一、过冷奥氏体的连续冷却转变
实际生产中较多情况下是连续冷却，比如说正火、退火、淬火等热处理等都是从高温到低温连续冷却，因此研究连续连续冷却更有意义。
连续冷却：在一定冷却速度下，过冷奥氏体在一个温度范围内发生转变，得到的产物往往是不均匀的混合组织。
连续冷却时采用过冷A连续冷却转变曲线(CCT曲线-Continuous Cooling Transformation)来研究。
二、共析钢过冷A的连续冷却转变 1、连续冷却转变曲线
Ps－过冷A转变为P型组织开始线 Pf－过冷A转变为P型组织终了线 KK′－过冷A转变中止线
Vk－上临界冷却速度，共析钢以大于该速度冷却时，由于遇不到P转变线，得到马氏体（M）组织。
水冷 Vk′－下临界冷却速度，共析钢以小于
该速度冷却时，得到全部P型组织。 CCT曲线与TTT曲线比较
CCT曲线与TTT曲线之间有何差异？
共析钢过冷A连续冷却转变曲线中没有奥氏体转变为贝氏体的部分，在连续冷却转变时得不到贝氏体组织。
与共析钢的TTT曲线相比，共析钢的CCT曲线稍靠右靠下一点，表明连续冷却时，奥氏体完成珠光体转变的温度较低，时间更长。 CCT曲线较难测定，一般用过冷A的TTT曲线来分析连续冷却转变的过程和产物，但要注意二者之间的差异。
缓慢
冷却（V1炉冷）：过冷A→P，转变温度较高，P呈粗片状，硬度170HB~220HB 稍快冷却（V2空冷）：过冷A→S，P呈细片状，硬度25HRC~35HRC V3（油冷）：T＋M＋AR，硬度45~55HRC 过冷A→T（KK′线以上）
过冷A→M（ Ms－Mf：马氏体转变） 过冷A→AR（残余奥氏体AR －连续冷却转变后少量没有转变而保留到室温的过冷奥氏体） V4冷却（水冷）：M＋ AR 图中：
1、P转变开始线 2、P转变终了线 3、P转变中止线 4、M转变开始线 5、M转变终了线
三、亚共析钢过冷A的连续冷却转变 与共析钢连续冷却转变的差异
亚共析钢过冷A在高温时有一部分将转变
VK' VK
为F，而共析钢没有F的转变。
亚共析钢过冷A在中温转变区会有少量贝氏体（上B）产生，共析钢没有。
如油冷的产物为F+T+上B+M，但F和上B量很少，有时可忽略。
另外，如果W(C) ≥0.6%，则油冷和水冷后的产物中会有少量AR 。
四、过共析钢过冷A的连续冷却转变 与共析钢连续冷却转变的差异
过共析钢过冷A在高温区，将首先析出二次渗碳体（Fe3CⅡ），而后转变为其它组织。 由于过共析钢奥氏体中碳含量高，所以油冷、水冷后的组织中应包括残余奥氏体(AR ）。 过共析钢与共析钢一样，其冷却过程中无贝氏体（B）转变。
五、TTT曲线和CCT曲线的意义
钢的TTT曲线和CCT曲线对生产与科学研究都有重要意义。
是制定合理的热处理工艺规程和发展新的热处理工艺（如形变热处理）等方面的重要依据； 对于分析研究各种钢在不同热处理后的金相组织与性能，进而合理地选用钢材等方面也有很大的参考价值。
六、钢的冷却转变小结
钢在冷却时，过冷奥氏体的转变产物根据其转变温度的高低可分为高温转变产物珠光体、索氏体、屈氏体，中温转变产物上贝氏体、下贝氏体，低温转变产物马氏体等几种。随着转变温度的降低，其转变产物的硬度增高，而韧性的变化则较为复杂。
9.1.2.4 影响C曲线的因素 一、含C量的影响
亚共析和过共析钢的C曲线中有先共析相析出线;
共析钢（C%=0.77%）的过冷A最稳定，C曲线最靠右；
亚共析钢的过冷A稳定性随含C量降低而降低，C曲线向左边移动； 过共析钢的过冷A稳定性随含C量增加而降低，C曲线向左边移动； A中的含C量越高，Ms点越低，RA越多。 二、合金元素的影响
除Co和Al外，所有合金元素都增大过冷A的稳定性，使C曲线右移，使Ms下移； 非碳化物形成元素Ni、Si、Cu等和弱碳化物形成元素Mn，只改变C曲线的位置，不改变C曲线的形状；
碳化物形成元素Cr、Al、W、V、Ti等不但使C曲线右移，而且改变C曲线形状，使其分为两个部分，相当于P转变和B转变。
Si、Ti、V、Mo、W等元素使P区鼻温上升，而Ni、Mn、Cu等则使之下降； 所有碳化物形成元素均使B区鼻温下降；
Cr、Mn对P的推迟作用小于对B的影响，其他元素刚好相反。 三、加热条件的影响
A化温度越高，保温时间越长，则形成的A晶粒越粗大，成分越均匀；同时有利于先共析相和其他难溶相颗粒的溶解。这些因素都能降低A分解时的形核率，增加A的稳定性，使C曲线右移。
加热温度偏低，保温时间不足，将获得成分不均匀得细晶粒A，甚至有大量未溶的第二相，这些促进A冷却时的分解过程，使C曲线左移。 9.2 常规热处理
9.2.1 钢的退火与正火
9.2.1.1 退火的定义、目的及分类 一、退火的定义
退火是将钢加热到低于或高于Ac1点以上温度，保持一定时间后缓慢地炉冷或控制冷却速度，以获得平衡态组织的热处理工艺。
退火既可作为预备热处理，为最终热处理（淬火、回火、化学或表面热处理等）创造良好的组织条件或适于后续加工工艺性能的需要，也可作为钢的成品或半成品的最终热处理。
二、退火的目的
降低钢的硬度，便于切削加工；
消除内应力或冷作硬化，提高塑性以利于继续冷加工； 改善或消除毛坯在铸、锻（轧）、焊时所产生的化学或组织不均（如偏析、带状组织和魏氏组织等），提高其工艺性能和使用性能;
细化晶粒，提高大批量生产零件的组织均匀性，为最终热处理作好组织准备。 三、退火的分类
第一类：在临界温度（Ac1或Ac3）以上的退火，又称相变重结晶退火，包括：完全退火、球化退火、不完全退火、扩散退火
第二类：在临界温度（Ac1）以下的退火，包括：再结晶退火、去应力退火 其它：等温退火、去氢退火
碳钢各种退火和正火工艺规范示意图 9.2.1.2 常用退火工艺方法
(固相线以下100℃－200℃)
。 ， 处
六、去氢退火
去氢退火的目的是消除钢中的氢所造成的白点（发裂）。采用温度需加热到Ac3以上，然后迅速冷却到C曲线“鼻尖”稍下一点温度等温并保持较长时间，使氢原子从钢内逸出。
冶金工厂生产的钢轨和某些对氢敏感的合金钢坯，锻、轧后从高温冷却到300－500℃转入保温箱或灌中进行长时间的等温扩散，然后冷却到室温即可将氢消除。 七、等温退火
等温退火：将钢件加热到高于Ac3 (或Ac1 ) 的温度，保温适当时间后，较快地冷却到珠光体区的某一温度，并等温保持，使奥氏体等温转变，然后缓慢冷却的热处理工艺。
目的：与完全退火相同，能获得均匀的预期组织；对于奥氏体较稳定的合金钢，可大大缩短退火时间
9.2.1.3 钢的正火
9.2.1.4 退火正火后的组织和性能
火
9.2.1.5 退火与正火工艺的制定原则 一、加热温度的选择
加热温度首先要按照钢的状态图和临界点来选择。一般的原则：不完全退火为Ac1＋20~ 30℃；完全退火为Ac3＋30~50℃；正火为Ac3 (或Acm)＋30~50℃(或加30~80℃)。 生产上在不影响质量和性能的前提下，将温度相近、要求相似的不同钢号混合装炉。
碳钢各种退火和正火工艺规范示意图 二、加热速度的选择
对于一般碳钢和低合金钢而言，加热速度可不予，钢材入炉后可随炉升温，也可高温装炉。在连续生产条件下，大多采用高温直接装炉与快速加热，这对提高生产率、缩短生产周期、降低能耗较为有利，但操作上要以保证保温阶段温度的均匀性为前提。 对某些导热性低的高合金钢或合金材料，加热速度应限于150℃/时以下，而且原则上应低温(≤250℃)装炉，开始加热速度较慢，温升至600℃后可加快升温速度。 三、保温时间的选择
保温的目的是使炉料内外温度一致，并完成所需的组织转变。 保温时间的确定应考虑钢的成分及原始组织状态、装炉量、装炉方式以及加热炉的特性等因素。合金钢在退火、正火时的保温时间应比碳钢长一些，因为大多合金元素阻碍碳和铁原子
的扩散，合金元素自身扩散能力也较小。
如果钢的原始组织中存在粗片状、网状、大块状碳化物或其它一些特殊组织，为了使它们能够溶解和消失，保温时间亦应延长。
装炉量及装炉方法与保温时间也有密切关系。装炉量多，保温时间要适当延长。不同的装炉方式也直接影响到钢材的均匀受热的程度，堆集密的比间隙放置的受热慢，保温时间相应要长些。
四、冷却速度的选择
退火与正火后的冷却速度，主要是根据它们的目的和对钢材的组织及性能的要求而确定的，尤其是对退火后有珠光体球化级别要求的，应按工艺规程予以严格控制；对组织无要求的，冷却速度可适当增大，有的可不，但冷却后应具有符合标准规定的硬度值。
正火或退火
