熱處理是將固體金屬或合金在一定介質中的加熱、保溫和冷卻，以改變材料整體或表面組織，從而獲得所需要的工藝性能。大多數熱處理工藝都要將鋼加熱到臨界溫度以上，獲得全部或部分奧氏體組織，即奧氏體化。

鋼在加熱時的轉變

1 奧氏體的形成

奧氏體的形成是形核和長大的過程，也是Fe，C原子擴散和晶格改變的過程。分為四步。

圖1 奧氏體的形成示意圖

共析鋼中奧氏體的形成過程如圖1所示：

第一步——奧氏體晶核形成：首先在a與Fe3C相界形核。

第二步——奧氏體晶核長大：晶核通過碳原子的擴散向a和Fe3C方向長大。

第三步——殘余Fe3C溶解：鐵素體的成分、結構更接近于奧氏體，因而先消失。殘余的Fe3C隨保溫時間延長繼續溶解直至消失。

第四步——奧氏體成分均勻化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通過長時間保溫使奧氏體成分趨于均勻。

2 影響奧氏體轉變速度的因素

（1）加熱溫度和速度增加→轉變快；

（2）鋼中的碳質量分數增加或Fe3C片間距減小→界面多，形核多→轉變快；

（3）合金元素→鈷、鎳增加奧氏體化速度，鉻、鉬等降低奧氏體化速度。

3 奧氏體晶粒度

（1）奧氏體晶粒度

奧氏體晶粒越細，退火后組織細，則鋼的強度、塑性、韌性較好。淬火后得到的馬氏體也細小，韌性得到改善。某一具體熱處理或加工條件下的奧氏體的晶粒度叫實際晶粒度。奧氏體化剛結束時的晶粒度稱起始晶粒度，此時晶粒細小均勻。通常將鋼加熱到930±10℃奧氏體化后，保溫8小時，設法把奧氏體晶粒保留到室溫測得的晶粒度為本質晶粒度。用來衡量鋼加熱時奧氏體晶粒的長大傾向。晶粒度為1-4級的是本質粗晶粒鋼，5-8級的是本質細晶粒鋼。前者晶粒長大傾向大，后者晶粒長大傾向小。

（2）影響奧氏體晶粒度的因素

第一，加熱溫度越高，保溫時間越長→晶粒尺寸越大。 第二，碳質量分數越大晶粒長大傾向增多，加入合金有利于得到本質細晶粒鋼。

鋼在冷卻時的轉變

處于臨界點A1以下的奧氏體稱過冷奧氏體。過冷奧氏體是非穩定組織，遲早要發生轉變。冷卻的方式有兩種，第一是等溫冷卻，使其在某個溫度下恒溫轉變，第二是連續冷卻。

1 過冷奧氏體

過冷奧氏體:當溫度在A1以上時，奧氏體是穩定的。在A1以下時，奧氏體處于過冷狀態稱為過冷奧氏體。過冷奧氏體轉變是在臨界點以下某個恒溫下發生，就稱為過冷奧氏體的等溫轉變。轉變在連續冷卻的過程中發生，稱為過冷奧氏體的連續冷卻轉變。

（1）共析鋼過冷奧氏體的等溫轉變曲線（TTT或C曲線）如圖2所示。

圖2 共析鋼的C曲線

2 三種等溫轉變

隨過冷度不同，過冷奧氏體將發生珠光體轉變、貝氏體轉變和馬氏體轉變三種類型轉變。

①高溫轉變，A1～550℃，過冷奧氏體→珠光體型組織，此溫區稱為珠光體轉變區， 珠光體是鐵素體和滲碳體的機械混合物，滲碳體呈層片狀分布在鐵素體基體上，按層間距珠光體組織分為珠光體P、索氏體S和屈氏體T，如圖3所示。

形成溫度為A1-650℃，片層較厚，500倍光鏡下可辨，用符號P表示；形成溫度為650-600℃，片層較薄，800-1000倍光鏡下可辨，用符號S表示。形成溫度為600-550℃，片層極薄，電鏡下可辨，用符號T表示。珠光體、索氏體、屈氏體三種組織無本質區別，只是形態上的粗細之分，因此其界限也是相對的。片間距越小，鋼的強度、硬度越高，而塑性和韌性略有改善。

珠光體轉變也是形核和長大的過程。滲碳體晶核首先在奧氏體晶界上形成，在長大過程中，其兩側奧氏體的含碳量下降，促進了鐵素體形核，兩者相間形核并長大，形成一個珠光體團。珠光體轉變是擴散型轉變。

圖3 不同溫度下的珠光體轉變組織

②中溫轉變，550℃～MS過冷奧氏體→貝氏體（B），此溫度區稱為貝氏體轉變區。過冷奧氏體在350℃～550℃之間轉變產物稱為上貝氏體。過冷奧氏體在350℃～MS之間轉變產物稱為下貝氏體。上貝氏體呈羽毛狀，小片滲碳體分布在成排鐵素體片之間。其形成溫度較高，鐵素體片較寬，塑性變形抗力較低，且滲碳體分布在鐵素體片之間，易引起脆斷，強度和韌性都較差。上貝氏體的轉變過程見圖4所示。

圖4 上貝氏體轉變過程

下貝氏體呈黑色針狀，鐵素體針內沿一定方向分布細 小的碳化物顆粒。其形成溫度較低，鐵素體針細小，無方向性，碳過飽和度大，位錯密度高。碳化鎢分布均勻，彌散度大，所以硬度高，韌性好，有實際應用價值。下貝氏體的轉變過程見圖5所示。貝氏體的轉變是只有C原子擴散的半擴散型轉變。

圖5 下貝氏體轉變過程

③低溫轉變，MS～Mf過冷A→馬氏體(M)。當奧氏體過冷到Ms以下將轉變為馬氏體類型組織，是Fe原子和C原子都不擴散的非擴散型轉變，馬氏體轉變是強化鋼的重要途徑之一。馬氏體是碳在a-Fe中的過飽和固溶體稱馬氏體，用M表示。馬氏體轉變時，奧氏體中的碳全部保留到馬氏體中。馬氏體具有體心正方晶格（a=b≠c），軸比c/a稱馬氏體的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸變越嚴重。當＜0.25%C時，c/a=1，此時馬氏體為體心立方晶格。

馬氏體的形態分板條和針狀兩類。第一種是板條馬氏體，其立體形態為細長的扁棒狀，在光學顯微鏡下板條馬氏體為一束束的細條組織。每束內條與條之間尺寸大致相同并呈平行排列，一個奧氏體晶粒內可形成幾個取向不同的馬氏體束。在電鏡下，板條內的亞結構主要是高密度的位錯，r=1012/cm2，稱位錯馬氏體。第二種是針狀馬氏體，其立體形態為雙凸透鏡形的片狀。顯微組織為針狀。在電鏡下，亞結構主要是孿晶，又稱孿晶馬氏體。馬氏體的形態主要取決于其含碳量，當C%小于0.2%時，組織幾乎全部是板條馬氏體，C%大于1.0%C時幾乎全部是針狀馬氏體，C%在0.2-1.0%之間為板條與針狀的混合組織。其形態與含碳量的關系如圖6所示。

馬氏體的塑性和韌性主要取決于其亞結構的形式。針狀馬氏體脆性大，板條馬氏體具有較好的塑性和韌性。

圖6 馬氏體形態與含碳量的關系

3 過冷奧氏體的連續轉變

實際生產中多采用連續冷卻，研究連續冷卻更有實際意義。

①共析鋼過冷奧氏體連續冷卻轉變。共析鋼過冷A的連續冷卻轉變曲線（CCT）如圖7所示。共析鋼的CCT曲線沒有貝氏體轉變區，在珠光體轉變區之下多了一條轉變中止線。當連續冷卻曲線碰到轉變中止線時，珠光體轉變中止，余下的奧氏體一直保持到Ms以下轉變為馬氏體。

圖7 共析鋼過冷奧氏體冷卻曲線

轉變過程及產物： 在緩慢冷卻時，過冷A將轉變為珠光體，其轉變溫度高，珠光體呈粗片狀。以稍快速度冷卻時，過冷A轉變為索氏體，為細片狀組織。采用油冷時過冷A有部分轉變為屈氏體，剩余A在冷卻到MS線下以后轉變為馬氏體，冷卻到室溫時，還有少量的A留下來，稱為殘余奧氏體。當以很快的速度水冷時，奧氏體過冷到MS點以下，發生馬氏體轉變，冷卻到室溫也會保留部分殘余A，組織為殘余奧氏體+馬氏體。過冷A為馬氏體低溫轉變過程，轉變溫度在MS——Mf之間，該溫區稱為馬氏體轉變區。

②亞共析鋼過冷奧氏體連續冷卻轉變

爐冷→ F + P

空冷→ F + S

油冷→ T + M

水冷→ M

③過共析鋼過冷奧氏體連續冷卻轉變

爐冷→ P + Fe3CⅡ

空冷→ S + Fe3CⅡ

油冷→ T + M + A'

水冷→ M + A'

過共析鋼CCT曲線也無貝氏體轉變區,但比共析鋼CCT曲線多一條A→Fe3C轉變開始線。由于Fe3C的析出，奧氏體中含碳量下降，因而Ms線右端升高。

亞共析鋼CCT曲線有貝氏體轉變區，還多A→F開始線，F析出使A含碳量升高，因而Ms線右端下降，如圖8所示。

圖8a 過共析鋼CCT曲線  圖8b  亞共析鋼CCT曲線

綜上所述，剛在冷卻時，過冷奧氏體的轉變產物根據轉變溫度的高低可分為高溫產物珠光體、索氏體、屈氏體，中溫產物上貝氏體、下貝氏體，低溫轉變產物馬氏體。隨著轉變溫度的降低，其轉變產物的硬度增加，韌性變化較為復雜。