第九章钢热处理原理

第九章

钢的热处理原理2/6/20231

钢的热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。

热处理原理包括钢的加热转变、珠光体转变、马氏体转变、贝氏体转变和回火转变。

钢能进行热处理，固态下应有相变，或有溶解度的变化，固态下不发生相变的纯金属或合金不能用热处理强化。

通过热处理可以改变钢的内部组织结构，从而改善其工艺性能和使用性能，充分挖掘钢材的潜力，延长零件的使用寿命，提高产品质量，节约材料和能源。钢中组织转变的规律是热处理的理论基础，称为热处理原理。9.1、概述2/6/20232钢为什么能够进行热处理？原则上只有在加热或冷却时发生溶解度的显著变化或发生固态相变的合金才能进行热处理。根据Fe-Fe3C相图，钢在高温和低温时具有不同的结构状态：共析钢在加热和冷却过程中经过PSK线（A1）时，发生珠光体和奥氏体之间的相互转变；亚共析钢经过GS线（A3）时，发生铁素体与奥氏体之间的相互转变；过共析钢经过ES线（Acm）时，发生渗碳体与奥氏体之间的相互转变。钢在加热和冷却过程中越过上述临界点就要发生固态相变，所以能进行热处理。2/6/20233

9.2、

钢在加热时的转变

钢在冷却时发生的固态转变(P、B、M)，其母相均为奥氏体。奥氏体组织的状况（如成分、均匀程度、晶粒大小等）直接影响冷却转变过程以及转变产物的组织和性能，因此，研究加热时奥氏体的形成过程具有重要的意义。

奥氏体平衡温度

由Fe-Fe3C相图可知

共析钢加热到A1以上亚共析钢A3以上过共析钢Acm以上2/6/20234

冷却Ar1：A→P开始温度Ar3：A→α开始温度Arcm：A→Fe3CⅡ开始温度

加热

Ac1：P→A开始温度Ac3：α→A终了温度Accm：Fe3CⅡ→A终了温度

实际加热或冷却时组织转变会产生滞后现象，加热和冷却速度越快，滞后现象将越加严重。加热和冷却速度为0.125℃／min时对临界温度的影响2/6/20235

当温度等于A1时，珠光体与奥氏体的自由能相等。只有当温度高于A1时，珠光体向奥氏体转变的驱动力才能克服界面能和应变能的相变阻力，使奥氏体的自由能低于珠光体的自由能，奥氏体才能自发形核。奥氏体形成的热力学条件珠光体和奥氏体的自由能随温度变化的曲线奥氏体形成时系统总的自由能变化为：ΔG=ΔGV+ΔGS+ΔGe式中，ΔGV为新相奥氏体与母相之间的体积自由能差；ΔGS为形成奥氏体时所增加的界面能；ΔGe为形成奥氏体时所增加的应变能。其中，ΔGV是奥氏体转变的驱动力，ΔGS与ΔGe是相变的阻力。GpGγ2/6/202361.奥氏体的形成过程

获得所需要的组织和性能，多数工艺都须先将钢加热至单相奥氏体，然后再以适当方式(或速度)冷却，以获得所需要的组织和性能。Fe3C6.69复杂晶格α-Fe0.0218bccγ-Fe0.77fcc+共析钢为例

共析钢的奥氏体化过程包括以下四个阶段钢加热获得奥氏体的转变过程，称为奥氏体化过程。P2/6/20237(1)奥氏体的形核

优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成，此处能量较高，容易获得奥氏体形核所需要的浓度起伏、结构起伏和能量起伏。(2)奥氏体晶核长大

奥氏体晶核形成后即开始长大，长大机制如下

A与F相邻的边界处的碳浓度为Cγ-α，A与Fe3C相邻的边界处的碳浓度为Cγ-c。2/6/20238

当铁素体全部转变为奥氏体时，可以认为，奥氏体的长大即完成。但此时仍有部分渗碳体尚未溶解残留在奥氏体中，这时奥氏体的平均碳浓度低于共析成分。

Cγ-c>Cγ-α，A中出现碳的浓度梯度，引起碳在A中的扩散，逐渐长大。

在铁素体内，Cα-c＞Cα-γ，促进奥氏体长大。

未溶Fe3CAA2/6/20239(3)剩余渗碳体溶解(4)奥氏体成分均匀化

长大与碳的扩散和相界面碳浓度差有关。由于F与A界面的浓度差(Cγ-α一Cα-γ)远小于A与Cm界面的浓度差(CFe3C一Cγ-c)，因此，F→A转变远比Fe3C溶解速度快。F总是首先消失。随后剩余Fe3C通过扩散，不断溶人A中，使A碳浓度逐渐趋于共析成分。一旦渗碳体全部溶解，这一阶段便告结束。

剩余渗碳体全部溶解后，A中的碳浓度仍是不均匀的。只有继续延长保温时间或升温，通过碳原子的扩散，才能使A碳浓度逐渐趋于均匀化，最后得到均匀的单相奥氏体。A形成过程全部完成。AA未溶碳化物2/6/202310

亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同，当加热温度仅超过AC1时，只能使原始组织中的珠光体转变为奥氏体，仍会保留一部分先共析铁素体或先共析渗碳体。

这种奥氏体化过程被称为“部分奥氏体化”或“不完全奥氏体化”。

只有当加热温度超过AC3或Accm，并保温足够的时间，才能获得均匀的单相奥氏体，这又被称为是非共析钢的“完全奥氏体化”。2/6/2023112.奥氏体的形成速度

共析钢的奥氏体等温形成图珠光体向奥氏体转变开始珠光体向奥氏体转变刚刚结束奥氏体均匀化完成剩余渗碳体溶解完毕孕育期

AC1以上某温度等温时，奥氏体需要一定时间后才开始形成，这段时间称为孕育期。温度↑孕育期↓

为获得同一状态，可用低温长时间V1，也可用高温短时间V2加热。

亚共析钢或过共析钢，当珠光体全部转变成奥氏体后，还有过剩相铁素体或渗碳体的继续转变。2/6/202312亚共析钢或过共析钢奥氏体等温形成图

当珠光体全部转变为奥氏体后，还有过剩相铁素体或渗碳体的继续转变，也需要碳原子在奥氏体中的扩散及奥氏体与过剩相之间相界面的推移来进行。与共析钢相比，过共析钢的渗碳体溶解和奥氏体的均匀化所需时间要长得多。

亚共析钢过共析钢2/6/2023133.影响奥氏体形成速度的因素

奥氏体形成是形核和长大过程，整个过程受原子扩散所控制。因此，一切影响扩散、形核与长大的因素都影响奥氏体的形成速度。主要影响因素有加热温度、原始组织和化学成分等。

（1）加热温度的影响

P→A转变是扩散相变过程，随加热温度↑，原子扩散系数↑，特别是碳在A中的扩散系数↑，加快了A的形核和长大速度；A中的碳浓度差↑，浓度梯度↑，故原子扩散速度↑；A与P的自由能差↑，相变驱动力△Gv↑，A的形核率和长大速度急剧↑，因此，转变的孕育期和转变所需时间显著↓，加热温度越高，转变孕育期和完成转变的时间越↓。影响奥氏体形成速度的各种因素中，温度是一个最主要的因素。2/6/202314（2）原始组织的影响

化学成分相同时，随原始组织中碳化物分散度的↑，F和Fe3C相界面增多，A的形核率↑；且P片层间距↓，使A中碳浓度梯度↑，碳的扩散距离↓，都使A的长大速度↑。因此，钢的原始组织越细，形成速度越快。

（3）化学成分的影响

a)含碳量越高，奥氏体的形成速度越快。

随含碳量增加，Fe3C量↑，F和Fe3C相界面积↑，A的形核部位↑，增大了A的形核率；碳化物数量↑，又使碳的扩散距离↓，碳浓度梯度↑；随A中含碳量↑，碳和铁原子的扩散系数将↑，从而增大A的长大速度。2/6/202315b)合金元素的影响

①影响碳在A中的扩散速度

碳化物形成元素(如Cr、Mo、W、V、Ti等)大大减小了碳在A中的扩散速度，故显著减慢了A的形成速度。非碳化物形成元素(如Co、Ni等)能增加碳在A中的扩散速度，因而，加快了A的形成速度。而Si、A1、Mn等元素对碳在A中的扩散速度影响不大，故对A形成速度无明显影响。②改变钢的临界温度

改变了A转变时的过热度，从而改变了A与P的自由能差，因此改变了A的形成速度。如Ni、Mn、Cu等降低A1点，相对增大过热度，将增大A的形成速度。Cr、Mo、W、V、Si等提高A1点，相对地降低过热度，将减慢A的形成速度。2/6/202316③在F和Cm中分布不均匀

平衡组织中，Cr、Mo、W、V、Ti等主要集中于碳化物中，而Ni、Si、Al等非碳化物形成元素主要存在于F中。奥氏体后，碳与合金元素在钢中分布仍是极不均匀的，因此，合金钢的A均匀化过程，除了碳在A中的均匀化外，还包括了合金元素的均匀化。相同条件下，合金元素在A中的扩散速度比碳的扩散速度慢103-104倍。同时碳化物形成元素强烈阻碍碳的扩散，因此，合金钢A化要比碳钢缓慢得多。合金钢热处理时，加热温度要比碳钢高，保温时间也需要延长。特别是高合金钢，如W18Cr4V高速钢的淬火温度需要提高到1270－1280℃，超过Acl(820-840℃)数百度。2/6/2023174.奥氏体的晶粒大小及其影响因素

A形成后继续加热或保温，晶粒将长大，在热力学上是一种自发趋势。加热时形成的A晶粒大小，对钢的冷却转变及转变产物的组织和性能都有重要的影响。（1）晶粒大小的表示方法

用直接测量的晶粒平均面积或直径，也可用单位体积或单位面积内含有的晶粒个数来表示。

N=2G-1G：晶粒度级别，N：100倍时每平方英寸（645.16mm2）面积内的晶粒个数。实际生产中常用晶粒度级别G表示，其与晶粒尺寸的关系为：2/6/202318奥氏体晶粒的形成和显示方法由国家标准规定：有铁素体网法、渗碳法、直接淬火法等。直接淬火法规定，碳含量1.00%以下除另有规定，一般碳含量≤0.35%时，将试样加热到900±10℃，保温1小时后淬火；碳含量＞0.35%时，加热到860±10℃，保温1小时后淬火，以获得马氏体组织，然后测定奥氏体晶粒度。比较法：用标准系列评级图进行比较确定，用100倍观察，＜5级为粗晶粒，≥5级为细晶粒。可定为半级。测定方法有比较法、面积法、结点法等。2/6/202319

起始晶粒度：A转变刚刚完成时的晶粒大小。实际晶粒度：在某一具体的加热条件下获得的A晶粒大小。本质晶粒度：表示钢在一定条件下A晶粒长大的倾向性。（2）奥氏体晶粒度的概念

900土10℃加热，保温1h后测定的A晶粒大小称为本质晶粒度。

随加热温度升高，奥氏体晶粒迅速长大，称为本质粗晶粒钢；

在930℃以下，随温度升高，奥氏体晶粒长大速度很缓慢，称为本质细晶粒钢。当超过某一温度（950~1000℃）本质细晶粒钢也可能迅速长大，晶粒尺寸甚至超过本质粗晶粒钢。钢的本质晶粒度与炼钢的脱氧方法和钢的化学成分有关。奥氏体晶粒长大倾向示意图2/6/202320（3）影响奥氏体晶粒大小的因素

高温下A晶粒长大，引起系统的自由能降低，是自发过程。A晶粒长大是晶界迁移的过程，其实质是原子在晶界附近的扩散。一切影响原子扩散迁移的因素都能影响A晶粒大小。为控制A晶粒长大，必须从控制影响A晶粒长大的因素着手。①加热温度和保温时间加热温度越高，晶粒长大速率越快，最终晶粒尺寸越大。②加热速度加热速度越快，A的实际形成温度越高，则A的形核率越高，起始晶粒越细。③化学成分

碳量在一定范围内，随含碳量的↑，碳在钢中的扩散速度以及铁的自扩散速度均↑，A晶粒长大的倾向↑。2/6/202321当碳含量超过一定限度以后，钢中出现二次渗碳体，随着含碳量的↑，二次渗碳体数量↑，且分布在A晶界上，可以阻碍A晶界的移动，反而使A晶粒长大倾向↓。合金元素Ti、Zr、V、Al、Nb等强烈地阻碍A晶粒长大；W、Mo、Cr等一般阻止晶粒长大；Si、Ni、Cu等不形成化合物，对奥氏体晶粒长大的影响不明显；Mn、P、N、C等促进晶粒长大。如加热温度高到使碳化物及其它化合物能溶入到奥氏体中时，阻碍晶粒长大的作用将会消失，晶粒便迅速长大。④原始组织

原始组织越细，碳化物分散度越大，所得到的奥氏体起始晶粒越细小，晶粒长大倾向越大。2/6/2023229.3、钢在冷却时的转变

钢A化后冷至室温的性能，不仅取决于加热时A的状态，在很大程度上取决于冷却时转变产物的类型和组织状态。冷却方式和速度对转变产物的类型和组织状态有很大影响，因此，冷却过程决定着钢固态转变后的组织和性能。

将A状态的钢冷却到A1温度以下，由于在此温度下A的自由能比F与渗碳体两相混合物的自由能高，因此A将发生分解，向P或其它组织转变，在临界温度A1以下处于不稳定状态的A称为过冷A。2/6/202323

热处理生产中，过冷A的冷却方式有两类：

等温冷却：将A状态的钢迅速冷至临界点以下某一温度保温一定时间，使其在该温度下发生组织转变，然后再冷至室温；连续冷却：将A状态的钢以一定速度冷至室温，使其在连续冷却过程中完成组织转变。临界温度时间温度保温加热连续冷却等温冷却2/6/202324

以金相-硬度法为例建立共析钢过冷奥氏体等温转变曲线。1.过冷奥氏体等温转变曲线的建立冷却：停留不同时间后，逐个取出试样，迅速淬入盐水中激冷，使尚未转变的A转变为M，因此，M量即为未转变的A量。

用金相法确定在给定的温度下，保持一定时间后的转变产物类型和转变量的百分数。制样：把钢材制成Φ15×1.5mm的圆片试样（钻小孔，便于提取），分成若干组。奥氏体化：取一组试样，在盐炉内加热使之完全A化。

等温：将A化后的试样快速投入A1以下某一温度的浴炉中进行等温转变，并开始计时。2/6/202325

一般将A转变量为1~3%所需要的时间定为转变开始时间。转变量为98%所需的时间定为转变终了时间。根据需要也可以测出转变量为20%、50%、70%的时间。

多组试样在不同等温温度下进行实验。将各温度下的转变开始点和终了点都绘制在温度-时间半对数坐标系中。Tlntt2tnt1将不同温度下的转变开始点和终了点分别连接成曲线2/6/2023262.共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线分析

过冷A等温转变曲线是综合反映过冷A在不同过冷度下，转变开始和终了时间、转变产物的类型以及转变量与时间、温度间的关系等。称为TTT(timetemperaturetransformation)图，俗称C曲线。

温度\℃A1～550℃高温转变区，A→P；550℃～MS中温转变区，A→B；MS

～Mf

低温转变区，A→M。

在A1线温度以下，过冷A转变开始线与纵坐标之间的水平距离为过冷A在该温度下的孕育期，孕育期的长短表示过冷A稳定性的高低。2/6/202327

过冷A的稳定性受两个因素控制：旧、新相间的自由能差ΔG；原子的扩散系数D。

高温时，自由能差ΔG起主导作用；低温时，原子扩散系数D起主导作用；处于鼻尖温度时，两个因素综合作用的结果，使孕育期最短，转变速度最大。

等温温度越低，ΔT越大，自由能差ΔG也越大，则加快A的转变速度；但原子扩散系数却随等温温度的降低而减小，从而减慢过冷A的转变速度。2/6/2023283.影响过冷奥氏体等温转变曲线的因素（1）A成分的影响

a)含碳量与共析钢过冷A等温转变曲线相比，亚、过共析钢的过冷A等温转变曲线上部各多出一条先共析相析出线。在发生P转变之前，亚共析钢中先析出先共析F，过共析钢中先析出先共析渗碳体。

亚共析钢过冷A等温转变中的F、P转变部分随A中含碳量的增加逐渐向右移；过共析钢中的渗碳体、珠光体转变部分随A中含碳量的增加逐渐向左移；贝氏体转变部分都随含碳量的增加逐渐向右移。随A中含碳量的增加，Ms和Mf点降低。亚共析钢过共析钢2/6/202329b)合金元素一般来说，除Co和Al（Al>2.5%）以外的所以合金元素，溶入A都增加过冷A的稳定性，使过冷A等温转变曲线右移，并使Ms降低。Mo的影响最强烈，W、Mn、Ni的影响也很明显，Si、Al的影响较小。钢中加入微量的B可以明显提高过冷奥氏体的稳定性，但随含碳量的增加，B的作用逐渐减小。Co降低过冷奥氏体的稳定性，使过冷奥氏体等温转变曲线向左移，使Ms升高。2/6/202330

非碳化物或弱碳化物形成元素，如Ni、Mn、Si、Cu、B等，只是不同程度地减低P和B的转变速度，使过冷A等温转变曲线右移，但不改变其形状。

Si、Mo、Ti、V、W等使P鼻温上升，而Ni、Mn、Cu等则使其下降。使P和B两种转变温度范围相互分离，形成两个鼻子，其间出现一个过冷A的稳定区。

碳化物形成元素，主要有Cr、Mo、W、V、Ti等，使过冷A等温转变曲线右移外，还能改变其形状。(溶入奥氏体中)非碳化物形成元素碳化物形成元素2/6/202331（2）奥氏体状态的影响

A晶粒细小，晶界总面积增加，有利于新相形核和原子扩散，因此有利于先共析转变和珠光体转变，使C曲线左移。但晶粒度对B转变影响不大；晶粒越粗，反而使Ms升高，加快M转变。A成分越均匀，则越稳定，新相形核和长大过程中所需时间就越长，C曲线越向右移。A化温度越高，保温时间越长，则形成的晶粒越粗大，成分也就越均匀，从而增加A的稳定性，使C曲线向右移。反之，A化温度稍低，时间短，A晶粒越细，未溶第二相越多，成分越不均匀，A越不稳定，使C曲线向左移。A受拉应力将加速转变，而等向压应力下，原子迁移阻力大，减慢A转变。

塑性变形使点阵畸变加剧，位错密度增加，有利于Fe、C扩散和晶格改组，可促进A转变。（3）应力和塑性变形的影响2/6/2023324、珠光体转变

珠光体转变是过冷A在A1以下较高温度内进行的转变，是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的相变过程。因此P转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组。属扩散型相变。Fe3C6.69复杂晶格α-Fe0.0218bcc

γ-Fe0.77fcc+1.珠光体的组织形态和机械性能珠光体是铁素体和渗碳体两相的机械混合物，按渗碳体的形态，珠光体分为片状珠光体和粒状珠光体。2/6/202333a）片状珠光体由片层相间的铁素体和渗碳体片组成。若干大致平行的铁素体和渗碳体片组成一个珠光体领域或珠光体团，在一个A晶粒内，可形成几个珠光体团。珠光体团中相邻的两片渗碳体（或铁素体）之间的距离称为珠光体的片间距，用S0表示，它是用来衡量P组织粗细的一个主要指标。

P片间距的大小主要取决于P形成时的过冷度，即P的形成温度，而与A晶粒度和均匀性无关。过冷度越大，P的形成温度越低，片间距越小。共析钢P片间距S0与过冷度ΔT之间的关系可用以下经验公式来表达：

2/6/202334根据片间距大小不同，可将P分为三种:

片状珠光体是指在光学显微镜下能明显分辨出铁素体和渗碳体层片状组织形态的珠光体，它的片间距大约为450~150nm，形成于A1~650℃温度范围内。在650~600℃范围内形成的，其片间距较小，约为150~80nm，只有在高倍的光学显微镜下才能分辨出铁素体和渗碳体的片层形态，这种细珠光体称为索氏体(S)。在600~550℃范围内形成的，其片间距极细，约为80~30nm，只有在电子显微镜下才能分辨出铁素体和渗碳体的片层形态，这种极细珠光体称为托氏体(T)。

珠光体、索氏体和屈氏体的本质是相同的，都是铁素体加渗碳体组成的片层相间的珠光体型组织，差别只是片间距的大小不同。但是由于索氏体和屈氏体是在较快冷速下形成的，属于不平衡组织，其含碳量或多或少偏离共析成分。2/6/202335珠光体P700℃等温屈(托)氏体T600℃等温索氏体S650℃等温2/6/202336

片状珠光体的机械性能主要决定于珠光体的片间距和珠光体团的直径。珠光体的片间距越小，钢的强度和硬度越高，塑性和韧性也越好。是由于片间距越小，铁素体和渗碳体的相界面越多，对位错运动的阻碍越大，即塑性变形的抗力越大，因而强度和硬度都增加。同时，片间距越小，渗碳体片越薄，越容易随同铁素体一起变形而不脆断，增大了钢的塑性变形能力，所以塑性和韧性也越好。

片间距较小时，珠光体中的渗碳体片是不连续的，层片状的铁素体并未完全被渗碳体所隔离，因此使塑性提高。

原始奥氏体晶粒尺寸对片间距影响较小，但对珠光体团的直径产生影响，原始奥氏体晶粒尺寸越细小，珠光体团的直径越小。因此，细化奥氏体晶粒可以起到提高珠光体强度，改善塑性、韧性的作用。2/6/202337

在铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织，称为粒状珠光体。粒状珠光体一般是经过球化退火得到或淬火后经中、高温回火得到，也可由过冷A直接分解形成。粒状珠光体中，渗碳体颗粒的大小与转变温度有关，转变温度越低，颗粒越细小。

粒状珠光体的机械性能主要取决于渗碳体颗粒的大小、形态与分布。一般来说，渗碳体颗粒越细，与铁素体的相界面越多，则钢的硬度和强度越高。碳化物越接近等轴状、分布越均匀，则钢的韧性越好。b)粒状珠光体2/6/202338如粒状珠光体与片状珠光体的形成温度也大致相同，由于粒状珠光体中铁素体和渗碳体的相界面比片状珠光体少，所以硬度比片状珠光体的稍低。粒状珠光体中铁素体连续分布，渗碳体呈颗粒状分布在铁素体基体上，对位错运动阻碍较小，塑性韧性较高。粒状珠光体比片状珠光体具有良好的综合力学性能，这是因为粒状渗碳体不易产生应力集中和裂纹。因此，许多重要的机器零件都要通过热处理获得碳化物呈颗粒状的回火索氏体组织。同时，粒状珠光体还具有较好的切削加工性能、冷成型性能及淬火工艺性能。c)片状珠光体与粒状珠光体的比较2/6/2023392.珠光体的形成

珠光体的形成也是通过形核和长大两个基本过程进行的。珠光体中的铁素体和渗碳体都有可能成为领先相。

领先相大多在A晶界或相界面（如A与渗碳体或F的相界面）上形核。因这些区域缺陷较多，能量较高，原子容易扩散，容易满足形核所需要的成分起伏、能量起伏和结构起伏条件。

如渗碳体为领先相在A晶界上形成稳定的晶核，此晶核就会依靠附近的A不断提供碳原子逐渐长大，形成一小片渗碳体。（a）

Cm周围A碳浓度↓↓，形成贫碳区，为F形核创造了有利条件。当贫碳区的碳浓度降低到相当于F的平衡浓度时，就在渗碳体片的两侧形成两小片F。（b）aba)片状珠光体的形成2/6/202340

如此不断进行，F和Cm

相互促进交替形核，并同时平行地向A晶粒纵深方向长大，形成一组F和Cm片层相间、基本平行的P领域。(d)

在一个P领域形成的过程中有可能在A晶界其它处，或在已形成P领域的边缘上形成新的、其它取向的Cm晶核，并由此形成一个不同取向的P领域。(e)df

直到各个P领域相遇，A全部分解完了，P转变即告结束。(f)eA晶界重新形核P边缘重新形核

F形成后随渗碳体一起向前长大，同时也横向长大。F的长大又使其外侧形成A的富碳区，促使新的渗碳体的形成。(C)c2/6/202341AFe3C2/6/202342

分枝形成机制，P形成时基本没侧向长大，Cm是以分枝方式纵向生长，使与其相邻的A贫碳，从而促进F在Cm枝间形成。故一个P团的Cm是一个单晶体，Cm之间的F也是一个单晶体。即一个P团是由一个F晶粒和一个Cm晶粒互相穿插起来，通过“搭桥”而形成的。2/6/2023433.先共析相的析出（伪共析）

平衡状态下，亚共析钢先共析铁素体和过共析钢先共析渗碳体的析出分别在GS线和ES线以下的γ+α和γ+Fe3C两相区内进行。

快冷至Ar1温度以下时，先共析相的析出仍可用GS线的延长线SG′和ES线的延长线SE′表示A分别对F和Cm的饱和线。

A只有过冷到SE′线以左或SG′线以右范围内时，才能有先共析相析出。如将A过冷到SE′线和SG′线所夹的影线区时，则会因其同时对F和Cm呈过饱和状态而直接进行P转变。这种非共析成分的A不经先共析相析出而直接进行P转变所得的P，称伪共析体。伪共析体的显微组织也是由片状的F和Cm组成。2/6/2023445、马氏体转变

钢从A状态快速冷却，抑制其扩散性分解，在较低温度下（低于MS点）发生的转变为M转变。转变产物：M组织。马氏体：碳在α-Fe中过饱和固溶体。具有很高的强度和硬度。强化金属的重要手段之一。转变温度：低温（MS点以下）。转变特点：Fe、C原子都不能进行扩散，Fe的晶格改组，通过切变方式完成。典型的非扩散型相变。2/6/2023451.马氏体的晶体结构体心立方：低碳钢或无碳合金中出现的。体心正方：含碳较高的钢中出现的。碳呈部分有序排列，在α-Fe（bcc）晶胞底面中心或c轴上分布，引起c轴伸长，a轴缩短，形成bct结构。

轴比c／a为正方度，随碳量↑，c呈线性↑，a值略有↓，c／a不断增大。合金元素对c／a影响不大，而取决于M中的含碳量，故可用来表示M中碳的过饱和程度。一般碳量＜0．25％的板条M的c／a≈1，为bcc晶格。FeC2/6/2023462.马氏体的组织形态

一个A晶粒内可有几个位向不同的板条群（3~5个），一个板条群内可被几个板条束所分割，也可由一个板条束组成。每个板条束又由若干近于平行排列的马氏体板条组成，板条束之间为大角度晶界。（1）板条马氏体许多成群的、相互平行排列的板条组成。低、中碳钢及马氏体时效钢、不锈钢等铁基合金中形成的一种典型的马氏体组织。每个板条为一个单晶体，空间形态是扁条状。相邻板条间有薄壳状的残余奥氏体。许多相互平行的板条组成一个板条束。2/6/202347

板条马氏体的亚结构主要为高密度的位错，位错密度高达(0.3-0.9)×1012cm-2，故又称为位错马氏体。金相显微组织电子显微组织2/6/202348（2）片状马氏体中、高碳钢及高镍的铁镍合金中形成的一种典型马氏体组织。

空间形态呈双凸透镜状，由于与试样磨面相截，在光学显微镜下则呈针状或竹叶状，故又称为针状马氏体。特征是马氏体片之间互不平行，呈一定角度分布。在原A晶粒中首先形成的马氏体片贯穿整个晶粒，但一般不穿过晶界，将A晶粒分割成两半，以后陆续形成的马氏体片由于受到限制，而越来越小，所以一个A晶粒中形成的片状马氏体的大小是极不均匀的。马氏体片的周围往往存在着残余A。

片状马氏体的最大尺寸取决于原始奥氏体晶粒大小，奥氏体晶粒越粗大，则马氏体片越大，当最大尺寸的马氏体片小到光学显微镜无法分辨时，便称为隐晶马氏体。

2/6/202349A′片状M2/6/202350

片状马氏体内部的亚结构主要是孪晶，因此片状马氏体又称为孪晶马氏体。但孪晶仅存在于马氏体片的中部，在片的边缘则为复杂的位错网络。金相显微组织电子显微组织2/6/202351（3）影响马氏体形态的因素

取决于M的形成温度，而M的形成温度又主要取决于A的化学成分，即碳和合金元素的含量。碳的影响最大，碳钢随碳量↑，板条马氏体数量↓，片状马氏体数量↑。

碳0.2~1.0%的A则形成混合组织。在较高温度先形成板条马氏体，在较低温度形成片状马氏体。

200℃以上板条马氏体

200℃以下片状马氏体≠钢中的含碳量碳＜0.2%几乎全部形成板条马氏体碳＞1.0%只形成片状马氏体

合金元素(除Co、Al)使MS↓，促进片状马氏体的形成。2/6/2023522/6/2023533.马氏体的性能

显著特点是具有高硬度和高强度。硬度主要取决于马氏体的含碳量。马氏体的硬度随着含碳量的增加而升高，当含碳量达到0.6%时，淬火钢硬度接近最大值；含碳量进一步增加，虽然马氏体硬度会有所提高，但由于残余奥氏体数量增加，反而使钢的硬度有所下降。合金元素对马氏体硬度影响不大，但可以提高其强度。马氏体的硬度随着含碳量的增加而升高。高于AC3淬火高于AC1淬火2/6/202354马氏体具有高硬度和高强度的原因：固溶强化：过饱和的间隙原子碳在α相中造成晶格的正方畸变，形成强烈的应力场，与位错发生强烈交互作用，阻碍位错运动，提高M的硬度和强度。相变强化：M转变时，在晶内造成晶格缺陷密度很高的亚结构，如板条M中高密度的位错、片状M中的孪晶等缺陷，将阻碍位错运动，使M强化。时效强化：碳和合金元素原子向位错及其它晶体缺陷处扩散偏聚或碳化物的弥散析出，钉轧位错，使位错难以运动，从而造成M时效强化。原始A晶粒大小及板条M束大小对M强度的影响：原始A晶粒越细小、M板条束越小，则M强度越高。这是由于相界面障碍位错运动造成的M强化。2/6/202355塑性和韧性

马氏体的塑性和韧性主要取决于马氏体的亚结构。片状马氏体具有高强度、高硬度，但韧性很差，其特点是硬而脆。在具有相同屈服强度的条件下，板条马氏体比片状马氏体的韧性好得多，即在具有高强度、硬度的同时，还具有相当高的塑性和韧性。由于片状马氏体中孪晶亚结构的存在大大减少了有效滑移系；同时在回火时，碳化物沿孪晶面不均匀析出使脆性增大；此外，片状马氏体中含碳量高，晶格畸变大，淬火应力大，以及存在大量的显微裂纹也是其韧性差的原因。2/6/202356

在钢的各种组织中，马氏体的比容最大，奥氏体的比容最小。这是钢淬火时产生淬火应力，导致变形、开裂的主要原因。随着含碳量的增加，珠光体和马氏体的比容差增大，当含碳量由0.4%增加到0.8%，淬火钢的体积增加1.13~1.2%。

板条马氏体中含碳量低，可发生自回火，且碳化物分布均匀；其次是胞状亚结构中位错分布不均匀，存在低密度位错区，为位错提供了活动余地，由于位错运动能缓和局部应力集中，延缓裂纹形核及削减已有裂纹尖端的应力峰，对韧性有利；此外，淬火应力小，不存在显微裂纹，裂纹通过马氏体板条也不容易扩展。因此，板条马氏体具有很高的强度和良好的韧性，同时还具有脆性转折温度低、缺口敏感性和过载敏感性低的优点。2/6/202357４.马氏体转变的条件

一过冷奥氏体的冷却速度必须大于临界冷却速度vc；快速冷却是为抑制其发生珠光体和贝氏体转变；二过冷奥氏体必须深度过冷，低于Ms点以下才能发生马氏体转变。深度过冷是为获得足够的马氏体转变的驱动力。2/6/2023585.马氏体转变的特点(1)无扩散性

M转变属低温转变，此时，铁和碳原子都已经失去扩散能力。因此，M转变是以无扩散的方式进行的。铁原子的晶格改组是通过原子集体的、有规律的、近程的迁动完成的。原来在母相中相邻的原子，转变以后在新相中仍然相邻，它们之间的相对位移不超过一个原子间距，转变前后奥氏体与马氏体的化学成分相同。(2)切变性M转变是晶格切变过程，在切变过程中完成晶格重构，由面心立方晶格变成体心正方晶格。M转变时，在预先抛光的试样表面上，在M形成的地方出现宏观倾斜隆起形成表面浮凸，说明M转变和母相的宏观切变有着直接联系。M形成时，和它相交的试样表面发生倾动，一边凹陷，边凸起，并牵动奥氏体突出表面，说明M转变是以切变方式完成的。2/6/202359(3)共格性

M转变时，新相和母相的点阵间保持共格联系，即相界面上的原子既属于M又属于A。而且整个界面是互相牵制的，这种界面称为“切变共格”界面。它是以母相切变维持共格关系的，故称为第二类共格界面。(4)严格的位向关系和惯习面由于M转变时新相和母相之间始终保持着切变共格性，因此M转变后新相和母相之间存在着严格的晶体学位向关系。M和A之间有下列位向关系：｛110｝M∥｛111｝γ；〈111〉M∥〈110〉γ称为K-S关系。是钢中马氏体的一种主要位向关系，含碳量低于1.4％的碳钢及大多数合金钢中都具有K-S关系。｛110｝M∥｛111｝γ；〈110〉M∥〈211〉γ称为西山关系（又称N关系）。在含碳量高于1.4％的碳钢中也存在西山关系。2/6/202360

马氏体转变不仅新相和母相有一定的位向关系，而且在特定的惯习面上形成，在相变过程中惯习面不变形也不转动。钢中马氏体的惯习面随奥氏体的含碳量及马氏体的形成温度而变化。当碳＜0.6％时，惯习面为（111）γ，碳浓度为0.6％-1.4％时，惯习面为（225）γ，碳＞1.4％时，惯习面为（259）γ。随马氏体形成温度降低，惯习面有向高指数变化的趋势，所以同一成分的钢也可能出现两种惯习面。如先形成的马氏体惯习面为（225）γ，而后形成的马氏体的惯习面为（259）γ。2/6/202361(5)转变是在一个温度范围内进行

马氏体转变是在Ms至Mf的温度范围内进行的。碳钢及合金钢的马氏体转变是在奥氏体以大于临界淬火速度冷至Ms点以下，不断降低温度时，立即形成一批马氏体，相变没有孕育期，随着温度下降，瞬间又出现另一批马氏体，而先形成的马氏体不再长大，这种转变一直持续到Mf点。马氏体的转变量随温度的下降而增加，一旦温度停止下降，转变立即终止。降温过程中马氏体的形核及长大速度极快，瞬间形核，瞬间长大。马氏体转变量是温度的函数，取决于冷却达到的温度，与该温度下的停留时间无关。等温转变仅发生在某些特殊合金中，例如Fe-Ni-Mn、Fe-Cr-Ni以及高碳高锰钢等。但等温转变一般都不能使马氏体转变进行到底，这是因为已形成的马氏体使未转变的奥氏体发生了稳定化。2/6/202362（6）转变不完全

一般钢淬火都是冷却到室温，如果钢的Ms点低于室温，则淬火冷却到室温得到的全是奥氏体。高碳钢和许多合金钢，其Ms点在室温以上，而Mf点在室温以下，则淬火冷却到室温时将保留相当数量的未转变奥氏体，称之为残余奥氏体。如冷至室温后继续深冷，使残余奥氏体继续转变为马氏体，这种低于室温冷却的处理方法，生产上称为冷处理。但是，即使冷却到Mf点以下仍然得不到100％的马氏体，而保留一部分残余奥氏体，表现为马氏体转变的不完全性。钢淬火后残余奥氏体的数量，主要取决于奥氏体的化学成分。如碳钢，奥氏体的含碳量越高，残余奥氏体的数量越多。含碳量小于0.5％时，残余奥氏体的量很少，含碳量在0.6－1.0％之间，残余奥氏体的量一般不超过10％，如果含碳量在1.3－1.5％，残余奥氏体量可达30－50％。2/6/2023636.马氏体转变的可逆性

在某些铁基合金中，奥氏体可以在冷却时转变为马氏体，而已形成的马氏体重新加热时又能无扩散地转变为奥氏体。这种现象称为马氏体转变的可逆性，马氏体直接向奥氏体的转变称为马氏体的逆转变。但在一般碳钢中不发生按马氏体转变机构的逆转变，因为在加热时马氏体分解为铁素体和渗碳体。马氏体的逆转变也发生在一定的温度范围内，逆转变开始温度用As表示，终了温度用Af表示。通常As温度高于Ms温度，对于不同的合金As与Ms之间的温差不同。2/6/2023647.奥氏体的稳定化

奥氏体稳定化是指奥氏体在外界因素作用下，由于内部结构发生了某种变化，而使奥氏体向马氏体转变温度降低和残余奥氏体量增加的转变迟滞现象。在马氏体转变温度范围内，如过冷奥氏体冷却至某一温度下停留一段时间，然后再继续冷却，奥氏体向马氏体转变并不立即开始，而是经过一段时间后才能恢复转变，并导致残余奥氏体的量相应增加。这种因等温停留引起奥氏体稳定性提高，而使马氏体转变迟滞的现象称为奥氏体的热稳定化。影响热稳定化程度的主要因素是停留温度和停留时间，停留温度越高、时间越长，达到的热稳定化程度越大，最终得到马氏体数量越少。2/6/2023656、贝氏体转变

贝氏体转变是介于珠光体和马氏体转变之间的一种转变，又称为中温转变。

转变产物：贝氏体贝氏体：含碳过饱和的铁素体和碳化物组成的机械混合物。转变温度：中温550℃～MS转变特点：既具有珠光体转变又具有马氏体转变的某些特征。

转变过程中，不发生铁原子的扩散，奥氏体向铁素体的晶格改组依靠切变方式进行，并通过碳原子的扩散进行碳化物的沉淀析出。因此，贝氏体转变是碳原子扩散而铁原子不扩散的半扩散型相变。2/6/2023661.贝氏体的组织形态

（1）上贝氏体形成温度：贝氏体转变区较高温度范围内，大约在350～550℃之间形成。组织形态：成束分布、平行排列的铁素体和夹于其间的断续的条状渗碳体的混合物。

在中、高碳钢中，当形成量不多时，光镜下可以观察到成束排列的F条自A晶界平行伸向晶内，具有羽毛状特征，条间的渗碳体分辨不清。金相显微组织金相显微组织2/6/202367

在电子显微镜下可以清楚地看到在平行的条状铁素体之间常存在断续的、粗条状的渗碳体。上贝氏体中铁素体的亚结构是位错，其密度比板条马氏体低2-3个数量级。随着形成温度降低，位错密度增大。

随含碳量↑，上贝氏体中的F条增多、变薄，Cm数量也增多、变细。上贝氏体的形态还与转变温度有关，随转变温度↓，上贝氏体中F条变薄，Cm细化。上贝氏体中的F条间还可能存在未转变的残余A。尤其是当钢中含有Si、Al等A稳定化元素时，A稳定性增加，抑制了渗碳体析出，使残余A量增多。电子显微组织2/6/202368（2）下贝氏体

形成温度：于贝氏体转变区较低温度范围，大约在350℃~Ms之间形成。组织形态：由含碳过饱和的片状铁素体和其内部沉淀的碳化物组成的机械混合物。

下贝氏体的空间形态呈双凸透镜状，与试样磨面相交呈片状或针状。2/6/202369

在电子显微镜下可以观察到下贝氏体中碳化物的形态，它们细小、弥散，呈粒状或短条状、沿着与铁素体长轴成55~65°角取向平行排列。电子显微组织

光镜下，下贝氏体呈黑色针状或竹叶状，针与针之间呈一定角度。下贝氏体可以在奥氏体晶界形成，但更多的是在奥氏体晶粒内部形成。金相显微组织2/6/202370（3）粒状贝氏体形成温度：于上贝氏体转变区上限温度范围内形成。组织形态：在粗大的块状或针状铁素体内或晶界上分布着一些孤立的小岛，小岛形态呈粒状或长条状等，很不规则。

小岛在高温下原是富碳的奥氏体区，其后的转变可有三种情况：①分解为铁素体和碳化物，形成珠光体；②发生马氏体转变，形成马氏体；③富碳的奥氏体全部保留下来。粒状贝氏体中的铁素体的亚结构为位错，但密度不大。金相显微组织2/6/2023712.贝氏体的机械性能

贝氏体的机械性能主要决定于其组织形态。上贝氏体形成温度较高，铁素体条粗大，碳的过饱和度低，因而强度和硬度较低。碳化物颗粒粗大，且呈断续条状分布于铁素体条间，铁素体条和碳化物的分布具有明显的方向性，所以强度和硬度较低，塑性较差，脆性较大。因此，在工程材料中一般应避免上贝氏体组织的形成。2/6/202372粒状贝氏体

组织中，在颗粒状或针状铁素体基体中分布着许多小岛，这些小岛无论是残余奥氏体、马氏体，还是奥氏体的分解产物都可以起到复相强化作用。所以粒状贝氏体具有较好的强韧性，在生产中已经得到应用。下贝氏体

铁素体针细小、分布均匀，在铁素体内又沉淀析出大量细小、弥散分布的碳化物，且铁素体内含有过饱和的碳和高密度的位错，因此不但强度高，韧性也好，具有良好的综合机械性能，缺口敏感性和脆性转折温度都较低，是一种理想的组织。在生产中常用等温淬火以获得下贝氏体组织来改善工件的机械性能。2/6/2023733.贝氏体转变的特点

贝氏体转变发生在珠光体与马氏体转变之间的中温区，铁和合金元素的原子已经难于进行扩散，但碳原子还具有一定的扩散能力。贝氏体转变兼有珠光体转变和马氏体转变的某些特点。与珠光体转变相似，贝氏体转变过程中发生碳在铁素体中的扩散；与马氏体转变相似，奥氏体向铁素体的晶格改组是通过共格切变方式进行的。因此，贝氏体转变是一个有碳原子扩散的共格切变过程。2/6/202374

贝氏体的转变包括铁素体的成长与碳化物的析出两个基本过程，它们决定了贝氏体中两个基本组成相的形态、分布和尺寸。

上贝形成温度内，首先在奥氏体晶界上或晶界附近的贫碳区形成铁素体晶核，并成排地向奥氏体晶粒内长大。(a)

当碳浓度富集到一定程度时，便在铁素体条间沉淀析出渗碳体，得典型上贝组织。(c)由于碳在铁素体中扩散速度大于奥氏体中的扩散速度，因而在温度较低的情况下，碳在奥氏体的晶界处就发生富集。(b)bac

与此同时，条状铁素体前沿的碳原子不断向两侧扩散，而且铁素体中多余的碳也将通过扩散向两侧的相界面移动。2/6/202375B上转变过程示意图A晶界ααFe3CααFe3C上B2/6/202376

在下贝形成温度范围内，由于转变温度低，首先在奥氏体晶界或晶内的某些贫碳区，形成铁素体晶核，并按切变方式长大，成片状或透镜状。(a)

由于转变温度低，碳原子在奥氏体中的扩散很困难，很难迁移至晶界。而碳在铁素体中的扩散仍可进行。因此与铁素体共格长大的同时，碳原子只能在铁素体的某些亚晶界或晶面上聚集，进而析出细片状的碳化物。(b)

在一片铁素体长大的同时，其它方向上铁素体也会形成，得典型下贝组织。(c)abc2/6/202377B下转变过程示意图碳化物碳化物碳化物下B2/6/2023787、过冷奥氏体连续冷却转变曲线

过冷A连续冷却转变曲线，是连续冷却条件下过冷A的转变规律，是分析转变产物与性能的依据，也是制定热处理工艺的重要参考资料。过冷A连续转变曲线又称为CCT(continuouscooling

transformation)曲线。

利用快速膨胀仪，将φ3×10mm试样真空感应加热到A状态，程序控制冷却速度，从不同速度的膨胀曲线上确定转变开始点（转变量为1%）、转变终了点（转变量为99%）所对应的温度和时间。（1）测定方法将测得的数据标在温度-时间半对数坐标系中，连接具有相同意义的点，便可得到过冷A连续冷却转变曲线。为了提高测量精度，常配合使用金相法和热分析法。2/6/202379（2）过冷奥氏体连续冷却转变曲线的分析

共析钢的过冷A连续冷却转变曲线，只有珠光体转变区和马氏体转变区，没有贝氏体转变区，说明共析钢在连续冷却过程中不会发生贝氏体转变。转变开始线马氏体转变区转变终了线转变终止线由于奥氏体的碳浓度高，使贝氏体转变的孕育期延长，在连续冷却时贝氏体转变来不及进行便冷却至低温。2/6/202380V1冷速，得到100%的P。增大到Vc′时，也得到100%的P，转变过程与V1相同，但转变开始和转变终了的温度降低，转变温度区间增大，转变时间缩短。增大至V3时(在Vc与Vc′之间)，曲线与P转变开始线相交时，开始发生P转变，但冷至转变中止线时，转变停止，继续冷至Ms点以下，未转变的过冷A发生M转变，室温组织为P加M。大于Vc时，A过冷至Ms点以下发生M转变，冷至Mf点转变终止，最终得到M+残余A组织。

Vc表示过冷A在连续冷却过程中不发生分解，全部冷至Mf点以下发生M转变的最小冷却速度，称为上临界冷却速度，或临界淬火速；Vc′表示过冷A全部得到P的最大冷却速度，称为下临界冷却速度。2/6/202381亚共析钢的CCT曲线亚共析钢过冷A连续冷却转变曲线中出现了先共析F析出区和B转变区，且Ms

线右端降低，这是由于先共析F的析出和B转变使周围A富碳所致。亚共析钢的CCT曲线2/6/202382过共析钢的CCT曲线过共析钢的CCT曲线无贝氏体转变区；有先共析渗碳体析出区；MS线右端有所升高，是由于过共析钢的A在以很慢的速度冷却时，在发生M转变之前，有先共析渗碳体析出，使周围A贫碳造成的。2/6/202383（3）CCT曲线与TTT曲线的比较

CCT曲线位于TTT曲线的右下方，说明在连续冷却转变过程中过冷A的转变温度低于相应的等温转变时的温度，且孕育期较长。等温转变的产物为单一组织。而连续转变是在一定温度范围内进行的，可以把连续冷却转变看成无数个微小的等温转变过程的总和，转变产物是在不同温度下等温转变组织的混合组织。

TTT曲线的临界冷却速度Vc″大于CCT曲线的临界冷却速度Vc。没有CCT曲线时，可用TTT曲线估算CCT曲线的Vc。Vc″≈1.5VcCCT曲线TTT曲线2/6/202384

用C曲线定性说明连续冷却转变产物

根据与C曲线交点位置判断转变产物P均匀A细AA1MSMf时间等温退火PP退火(炉冷)正火(空冷)S(油冷)T+M+A′B下M+A′分级淬火M+A′淬火(水冷)M回150-250℃T回350-500℃S回500-650℃????PT+S回ST+B下+M+A′等温淬火温度2/6/2023859.4、钢在回火时的转变

回火是将淬火钢加热到低于临界点A1的某一温度，保温一定时间，使淬火组织转变为稳定的回火组织，然后以适当的方式冷却到室温的一种热处理工艺。

钢淬火后的室温组织主要是马氏体或马氏体加残余奥氏体组成，对于过共析钢还可能存在一些未溶碳化物。马氏体和残余奥氏体在室温下都处于亚稳定状态，它们都有向铁素体加渗碳体的稳定状态转变的趋势，从而会引起工件尺寸和形状的变化。但是，这种转变需要一定的温度和时间条件。回火将促进这种转变。

通过回火还可以消除淬火引起的内应力，调整硬度，提高韧性，达到工件所需要的综合力学性能。因此，钢件淬火以后必须立即进行回火处理。2/6/202386淬火钢回火时，随回火温度↑和时间↑，相应地发生以下几种转变（1）马氏体中碳的偏聚（20～100℃）

M中过饱和碳处于晶格扁八面体间隙中，使晶格产生较大弹性畸变，加之M晶体中存在较多微观缺陷，故使M能量增高，处于不稳定状态。在20-100℃回火时，铁和合金元素的原子难以进行扩散迁移，但C、N等间隙原子尚可短距离扩散迁移。当C、N扩散到微观缺陷处的间隙位置后，将使M的能量↓。因此，M中过饱和的C、N向微观缺陷处偏聚是自发过程。板条M内部存在大量位错，碳原子倾向于偏聚在位错线附近的间隙位置，形成碳的偏聚区，导致M的弹性畸变能↓。片状M的亚结构为孪晶，没有足够的位错线容纳间隙碳原子，因此，除少量碳原子可向位错线偏聚外，大量碳原子将可能在(100)晶面发生偏聚，形成富碳区的偏聚区。碳原子的偏聚现象不能用金相方法直接观察到，但由于碳的偏聚区电阻↑，可以用电阻法等实验方法证实其存在，也可以用内耗法推测。1.淬火钢的回火转变及组织2/6/202387（2）马氏体的分解（100～250℃）

回火温度超过100℃时，马氏体开始发生分解，从过饱和α固溶体中析出弥散的ε碳化物。随着回火温度升高，马氏体中的碳浓度逐渐↓，晶格常数c↓、a↑、正方度c／a↓。马氏体的分解一直延续到350℃以上，在高合金钢中甚至可以延续到600℃。

高碳钢的碳浓度随回火温度升高降低很快。含碳较低的钢中碳浓度降低较慢。碳钢在200℃以上回火时，在一定的回火温度下，马氏体具有一定的碳浓度，回火温度越高，马氏体的碳浓度越低。2/6/202388

片状M在100~250℃回火时，固溶于M中的过饱和碳脱溶，沿着M的(100)M晶面沉淀析出ε-碳化物。ε-碳化物：分子式可写成Fe2.4C，密排六方晶格，铁原子排成密排六方晶格，碳原子位于八面体间隙中。常用ε-FexC表示，其中x=2~3。由许多直径为5nm的小粒子组成的长度约为100nm的条状薄片。与母相之间有共格关系，并保持一定的晶体学位向关系。

回火时间对马氏体的碳浓度影响较小，马氏体的碳浓度在回火初期下降很快，随后趋于平缓。回火温度越高，回火初期碳浓度下降越多。2/6/202389

片状M回火时，往往分为两个阶段。第一阶段是在80~150℃回火时，由于碳活动能力很低，只能在很短距离内扩散，微小的ε-碳化物析出后，只是周围局部M贫碳，远处M的碳浓度仍然不变。这样M形成浓度不同的“二相”（M和M′），故称为二相式分解。

第二阶段大约在150~350℃回火时，由于碳原子可以作较长距离的扩散，随着碳化物的析出和长大，M的碳浓度连续不断地下降，称为连续式分解。直到350℃左右，α相碳浓度达到平衡浓度，正方度趋近于1，M的分解基本结束。2/6/202390

含碳量低于0.2％的板条马氏体，在淬火冷却时已经发生自回火，绝大部分碳原子都偏聚到位错线附近，所以在200℃以下回火时没有ε-碳化物析出。

高碳钢在350℃以下回火时，马氏体分解后形成的α相和弥散的ε-碳化物组成的复相组织称为回火马氏体。

回火马氏体的α相仍保持针状形态。由于它是两相组织，较淬火马氏体容易腐蚀，在金相显微镜下呈黑色针状组织。金相显微组织2/6/202391（3）残余奥氏体的转变（200～300℃）

含碳量大于0.4%的碳素钢淬火后，组织中总含有少量残余A，在250~300℃区间回火时，残余A将发生分解。

残余A与过冷A并无本质区别，它们的C-曲线很相似，转变温度区间也相同。只是两者物理状态不同，而使转变速度有所差异。残余A向B转变速度↑，而向P转变速度则↓。

在P形成温度区间回火时，残余A先析出先共析碳化物，随后分解为P。

在B形成温度区间回火时，残余A转变为B。在P和B两种转变之间，也存在一个残余A转变的稳定区。

淬火碳钢在200~300℃回火时，残余A分解为α相和碳化物的机械混合物，称为回火马氏体或贝氏体。2/6/202392

（4）碳化物的转变（250～400℃）

在250~400℃回火时，马氏体内过饱和的碳几乎全部脱溶，形成比ε-碳化物更稳定的碳化物。

回火温度升高到250℃以上，在碳浓度大于0.4%的M中，ε-碳化物逐渐溶解，同时沿{112}M晶面析出χ-碳化物。χ-碳化物与ε-碳化物的惯习面不同，说明χ-碳化物不是由ε-碳化物直接转变来的，而是通过ε-碳化物溶解，并在其他地方重新形核、长大的方式形成的，通常称为“离位析出”。χ-碳化物：分子式为Fe5C2，单斜晶格，呈小片状平行分布在M片中，与母相有共格界面，并保持一定的位向关系。2/6/202393

随着回火温度↑，除析出χ-碳化物外，还同时析出θ-碳化物（即Fe3C）。析出θ-碳化物的惯习面有两组：一组是{112}M。与χ-碳化物的惯习面相同，说明这一组碳化物可能是从χ-碳化物直接转变过来的，即“原位析出”；另一组是{100}M晶面，这一组不是由χ-碳化物转变得到的，而是由χ-碳化物先溶解，然后重新形核长大，以“离位析出”方式形成的。刚形成的θ-碳化物与母相保持共格关系，当长大到一定尺寸时，共格关系被破坏。2/6/202394

在碳浓度小于0.2%的M回火时，不析出ε-碳化物，而是直接形成θ-碳化物；碳浓度小于0.4%的M回火时，不析出χ-碳化物，直接形成θ-碳化物。

当回火温度升高到400℃时，淬火M完全分解，但α相仍保持针状外形，碳化物全部转变为θ-碳化物。这种由针状α相和与其无共格联系的细小粒状与片状渗碳体组成的机械混合物称为回火屈氏体。金相显微组织电子显微组织2/6/202395（5）渗碳体的聚集长大和α相回复、再结晶（400℃以上）

当回火温度升高到400℃以上时，析出的渗碳体逐渐聚集和球化，片状渗碳体的长度和宽度之比逐渐缩小，最终形成粒状渗碳体。当回火温度高于600℃时，细粒状碳化物将迅速聚集并粗化。碳化物的球化长大过程是按照小颗粒溶解、大颗粒长大的机制进行的。

由于淬火马氏体晶粒的形状为非等轴状，而且晶内的位错密度很高，与冷变形金属相似，在回火过程中也发生回复和再结晶。

对于板条马氏体在回复过程中主要是α相的位错胞和胞内的位错线逐渐消失，晶内位错密度逐渐↓，剩余的位错将重新排列成三维的位错网络，α相晶粒被位错网络分割成许多亚晶粒。回火温度高于400℃时，α相已经发生明显的回复，回复后的α相仍具有板条状的特征。当回火温度超过600℃时，α相发生再结晶，由位错密度很低的等轴状新晶粒逐渐取代板条状晶粒。2/6/202396

对于片状马氏体，当回火温度高于250℃时，马氏体的孪晶亚结构逐渐消失，出现位错网络。回火温度达到400℃时，孪晶全部消失，α相发生回复。回火温度超过600℃时，α相发生再结晶。

淬火钢在500~650℃回火时，渗碳体聚集成较大的颗粒，同时马氏体的针状形态消失，形成多边形的铁素体，这种铁素体和粗粒状渗碳体的机械混合物称为回火索氏体。金相显微组织电子显微组织2/6/2023972.淬火钢回火时机械性能的变化（1）硬度