过冷度对合金材料组织的影响

　　前面讲述了纯金属及铁碳合金的结晶过程以及 终的结晶组织，但视镜中这些组织都是理想化的组织。也 是说合金的结晶是在共晶反应和共析反应 完成的理想冷却条件下进行的。事实上，这种理想状态是不存在的。如果结晶过程中过冷度较大，结晶过程进行的较快，那么在温度降到Ar1以下时，仍留有部分奥氏体没有来得及转变成铁素体、珠光体或渗碳体，此部分奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体在低于Ar1以下时仍将继续转变，而且在不同的温位，转变后得到的组织是不同的。这些组织将对合金的性能产生影响，有时甚至产生较大的影响，故对这个问题有必要作进一步的介绍。在第九章中讲到的热处理，也将用到这些理论。

　　1、过冷奥氏体的等温转变

　　假如完全控制着冷却温度，那么在Ar1以下，视镜中过冷奥氏体在不同的温度下将发生不同的组织转变。

　　如果将冷却温度控制在A1~550℃，则发生高温转变，即珠光体型转变。由于渗碳体熔点较高，它首先形核，随着核心的成长，周围的奥氏体因贪碳而转变成铁素体，铁素体周围又因富碳而形成渗碳体，如此反复即形成一层渗碳体、一层铁素体相间的机械混合物，该机械混合物即为珠光体。但因转变温度的差异，得到的珠光体粗细也不同。温度较高时，因铁和碳的扩散能力强，形成的珠光体较粗大。通常把在A1~650℃温度范围内得到的珠光体组织叫做正常珠光体，在650℃~600℃温度范围内得到的珠光体组织叫做索氏体，在600℃~550℃温度范围内得到的珠光体叫做屈氏体。显然，视镜中屈氏体组织要比索氏体组织细，索氏体组织要比正常珠光体组织细。而其表现出的机械性能也是屈氏体优于索氏体，索氏体优于正常珠光体。

　　如果将转变温度控制在550℃~Ms(马氏体转变温度)，则发生中温转变，即贝氏体型转变。贝氏体为在铁素体中析出许多细小的渗碳体而形成的组织。此时由于转变温度较低，铁原子扩散困难， 碳子扩散而造成。在不同的温度下，得到的贝氏体形态是不一样的。在550℃~350℃温度范围内转变时，得到的组织为上贝氏体组织，此时的贝氏体形状呈羽毛状。这种组织较粗大，致使视镜中材料的强度和硬度都不高，而塑性和韧性也不好，故工程上不希望得到这种组织;若在350℃~Ms温度范围内转变时，得到的组织为下贝氏体组织。下贝氏体的形态呈针叶状。此时由于碳化物的弥散硬化作用使得材料的性能比较好，即强度和韧性都比较好。

　　如果将转变温度控制在Ms(约230℃)以下，则发生低温转变，即马氏体转变。此时由于转变温度很低，铁原子和碳原子的扩散都 困难，转变后碳以过饱和的方式溶于α-Fe中，通常把碳在α-Fe中的过饱和固溶体叫做马氏体。马氏体的形态受合金含碳量的影响也呈多种行状存在，常见形状有两种，其一为板条状马氏体(C≤0.2%时)，其二是片状马氏体(C≥1.0%时)。视镜的晶格结构呈高密度错位，从而导致材料的组织不稳定性，并产生较大的结晶应力， 重要的是组织中的过饱和碳原子和高密度的晶格缺陷交互作用，导致了材料的强度和硬度增加，而塑性和韧性急剧下降。

　　2、自然冷却情况下的过冷奥氏体转变

　　自然冷却情况下，转变温度将跨过上述的各个温度区间，而又不在哪个 定区间停留足够的时间，故过冷奥氏体在任何 定温度区间的转变都是不 的。因此，自然冷却情况下得到的组织即不完全属于珠光体组织，又不完全属于贝氏体组织，也不完全属于马氏体组织，而是三者皆有，只不过对不同的材料，三者的比例和对材料性能的影响不同而已。

　　从前面的分析中可知，视镜中过冷奥氏体在不同温度下的转变所得到的组织，有的对材料性能是有利的，有的是不利的。对某些材料，自然冷却情况下得到的组织可能是不利的，此时可通过适当的热处理，即通过控制转变温度，从而可以获得有利的组织而避开不利的组织。

　　3、过冷度的影响

　　过冷度越大，奥氏体在高温下(Ac1以上)转变的时间越短，那么产生的过冷奥氏体量越多，使得低温(Ar1以下)转变得到组织越多，尤其是得到的马氏体组织越多。因此常说的淬火(急冷)易到淬硬马氏体组织的原因正在于此。对于淬火组织，一般要再进行一次高温回火处理，使马氏体分解并在高温下转变为珠光体。需要说明的是，不同的视镜材料，其珠光体、贝氏体和马氏体的转变温度是不同的，因此导致了不同材料其热处理温度也不同，有关热处理的知识将在第九章中介绍。