热处理是将固体金属或合金在一定介质中的加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需要的工艺性能。大多数热处理工艺都要将钢加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织，即奥氏体化。

钢在加热时的转变

1 奥氏体的形成

奥氏体的形成是形核和长大的过程，也是Fe，C原子扩散和晶格改变的过程。分为四步。

图1 奥氏体的形成示意图

共析钢中奥氏体的形成过程如图1所示：

第一步——奥氏体晶核形成：首先在a与Fe3C相界形核。

第二步——奥氏体晶核长大：晶核通过碳原子的扩散向a和Fe3C方向长大。

第三步——残余Fe3C溶解：铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。

第四步——奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。

2 影响奥氏体转变速度的因素

（1）加热温度和速度增加→转变快；

（2）钢中的碳质量分数增加或Fe3C片间距减小→界面多，形核多→转变快；

（3）合金元素→钴、镍增加奥氏体化速度，铬、钼等降低奥氏体化速度。

3 奥氏体晶粒度

（1）奥氏体晶粒度

奥氏体晶粒越细，退火后组织细，则钢的强度、塑性、韧性较好。淬火后得到的马氏体也细小，韧性得到改善。某一具体热处理或加工条件下的奥氏体的晶粒度叫实际晶粒度。奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时晶粒细小均匀。通常将钢加热到930±10℃奥氏体化后，保温8小时，设法把奥氏体晶粒保留到室温测得的晶粒度为本质晶粒度。用来衡量钢加热时奥氏体晶粒的长大倾向。晶粒度为1-4级的是本质粗晶粒钢，5-8级的是本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。

（2）影响奥氏体晶粒度的因素

第一，加热温度越高，保温时间越长→晶粒尺寸越大。 第二，碳质量分数越大晶粒长大倾向增多，加入合金有利于得到本质细晶粒钢。

钢在冷却时的转变

处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。冷却的方式有两种，第一是等温冷却，使其在某个温度下恒温转变，第二是连续冷却。

1 过冷奥氏体

过冷奥氏体:当温度在A1以上时，奥氏体是稳定的。在A1以下时，奥氏体处于过冷状态称为过冷奥氏体。过冷奥氏体转变是在临界点以下某个恒温下发生，就称为过冷奥氏体的等温转变。转变在连续冷却的过程中发生，称为过冷奥氏体的连续冷却转变。

（1）共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线（TTT或C曲线）如图2所示。

图2 共析钢的C曲线

2 三种等温转变

随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。

①高温转变，A1～550℃，过冷奥氏体→珠光体型组织，此温区称为珠光体转变区， 珠光体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，按层间距珠光体组织分为珠光体P、索氏体S和屈氏体T，如图3所示。

形成温度为A1-650℃，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示；形成温度为650-600℃，片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S表示。形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，用符号T表示。珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。

珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。珠光体转变是扩散型转变。

图3 不同温度下的珠光体转变组织

②中温转变，550℃～MS过冷奥氏体→贝氏体（B），此温度区称为贝氏体转变区。过冷奥氏体在350℃～550℃之间转变产物称为上贝氏体。过冷奥氏体在350℃～MS之间转变产物称为下贝氏体。上贝氏体呈羽毛状，小片渗碳体分布在成排铁素体片之间。其形成温度较高，铁素体片较宽，塑性变形抗力较低，且渗碳体分布在铁素体片之间，易引起脆断，强度和韧性都较差。上贝氏体的转变过程见图4所示。

图4 上贝氏体转变过程

下贝氏体呈黑色针状，铁素体针内沿一定方向分布细 小的碳化物颗粒。其形成温度较低，铁素体针细小，无方向性，碳过饱和度大，位错密度高。碳化钨分布均匀，弥散度大，所以硬度高，韧性好，有实际应用价值。下贝氏体的转变过程见图5所示。贝氏体的转变是只有C原子扩散的半扩散型转变。

图5 下贝氏体转变过程

③低温转变，MS～Mf过冷A→马氏体(M)。当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织，是Fe原子和C原子都不扩散的非扩散型转变，马氏体转变是强化钢的重要途径之一。马氏体是碳在a-Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示。马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c），轴比c/a称马氏体的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸变越严重。当＜0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格。

马氏体的形态分板条和针状两类。第一种是板条马氏体，其立体形态为细长的扁棒状，在光学显微镜下板条马氏体为一束束的细条组织。每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列，一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的马氏体束。在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位错，r=1012/cm2，称位错马氏体。第二种是针状马氏体，其立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为针状。在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。马氏体的形态主要取决于其含碳量，当C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体，C%大于1.0%C时几乎全部是针状马氏体，C%在0.2-1.0%之间为板条与针状的混合组织。其形态与含碳量的关系如图6所示。

马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性。

图6 马氏体形态与含碳量的关系

3 过冷奥氏体的连续转变

实际生产中多采用连续冷却，研究连续冷却更有实际意义。

①共析钢过冷奥氏体连续冷却转变。共析钢过冷A的连续冷却转变曲线（CCT）如图7所示。共析钢的CCT曲线没有贝氏体转变区，在珠光体转变区之下多了一条转变中止线。当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体转变中止，余下的奥氏体一直保持到Ms以下转变为马氏体。

图7 共析钢过冷奥氏体冷却曲线

转变过程及产物： 在缓慢冷却时，过冷A将转变为珠光体，其转变温度高，珠光体呈粗片状。以稍快速度冷却时，过冷A转变为索氏体，为细片状组织。采用油冷时过冷A有部分转变为屈氏体，剩余A在冷却到MS线下以后转变为马氏体，冷却到室温时，还有少量的A留下来，称为残余奥氏体。当以很快的速度水冷时，奥氏体过冷到MS点以下，发生马氏体转变，冷却到室温也会保留部分残余A，组织为残余奥氏体+马氏体。过冷A为马氏体低温转变过程，转变温度在MS——Mf之间，该温区称为马氏体转变区。

②亚共析钢过冷奥氏体连续冷却转变

炉冷→ F + P

空冷→ F + S

油冷→ T + M

水冷→ M

③过共析钢过冷奥氏体连续冷却转变

炉冷→ P + Fe3CⅡ

空冷→ S + Fe3CⅡ

油冷→ T + M + A'

水冷→ M + A'

过共析钢CCT曲线也无贝氏体转变区,但比共析钢CCT曲线多一条A→Fe3C转变开始线。由于Fe3C的析出，奥氏体中含碳量下降，因而Ms线右端升高。

亚共析钢CCT曲线有贝氏体转变区，还多A→F开始线，F析出使A含碳量升高，因而Ms线右端下降，如图8所示。

图8a 过共析钢CCT曲线  图8b  亚共析钢CCT曲线

综上所述，刚在冷却时，过冷奥氏体的转变产物根据转变温度的高低可分为高温产物珠光体、索氏体、屈氏体，中温产物上贝氏体、下贝氏体，低温转变产物马氏体。随着转变温度的降低，其转变产物的硬度增加，韧性变化较为复杂。