(1)等温转变图的建立

下面以共析钢为例，说明等温转变图的建立过程。选用共析钢制成很多薄片试样。将试样均加热到727℃以上，经过保温后急冷至低于727℃以下的某一温度，这时奥氏体不立即发生转变，需有一个孕育期后才开始转变，这种在孕育期暂时存在的奥氏体称为过冷奥氏体。在等温过程中观察不同过冷奥氏体的变化，测出奥氏体什么时候开始转变，什么时候转变终了，确定转变产物的组织特征与性能。然后将测试结果以温度为纵坐标，以时间为横坐标，画成曲线。例如将试样过冷到700℃(图1)，在此温度等温停留，在a点开始转变为珠光体，b点完全转变为珠光体。如此类推，可获得一系列a1、a2、a3, b1、b2、b3点。将所有开始转变点和终了转变点分别用光滑曲线连接起来，便获得该钢的等温转变图。由于其形状类似“C”，故亦称C曲线。

(2)奥氏体等温转变产物与性能

奥氏体转变产物的组织和性能，决定于转变温度。在图1中C曲线可分为三个温度范围。

①珠光体转变区域 过冷奥氏体在A1~550℃范围内，将分解为珠光体型组织。其中在A1~650°C温度范围形成珠光体(P)。这时由于过冷度小，转变温度高，形成珠光体的渗碳体和铁素体呈片状。在650~600C温度范围，转变得到较薄的铁素体和渗碳体片，只有在高倍显微镜下才能分清此两相，称为索氏体，用符号S表示。在600~550℃范围内，获得的铁素体和渗碳体片更薄，用电子显微镜才能分清此两相，称这种组织为托氏体，用符号T表示。珠光体型组织的力学性能，主要决定于其粗细程度，即珠光体层片厚度。珠光体型组织中层片越薄，则塑性变形的抗力越大，强度及硬度就越高，而塑性及韧性则有所下降。在珠光体型组织形态中，托氏体的组织最细，即层片厚度最小，因而它的强度和硬度就较高，如硬度可达300~450HBW,比珠光体的硬度大得多。

②贝氏体转变区域在C曲线鼻部(550℃) 与Ms点之间的范围内，过冷奥氏体等温分解为贝氏体，可用符号B表示。

贝氏体的形态主要决定于转变温度，而这一温度界限又与钢中含碳量有一定关系。wc>0.7%以上的钢，大致以350℃为界(钢的成分变化时，这一温度变化不大)，高于350℃的产物，组织呈羽毛状，称之为上贝氏体，低于350℃的产物，组织呈针叶状，称之为下贝氏体。

图 共析钢的奥氏体等温转变图

从性能上看，上贝氏体的脆性较大，基本上无实用价值;而下贝氏体则是韧性较好的组织，是热处理时(如采用等温淬火)经常要求获得的组织。对某些钢种来说，形成下贝体组织是钢材强化的一条途径。如果用电子显微镜观察，上贝氏体中的碳化物渗碳体呈较粗的片状平行分布于铁素体板条间，而下贝氏体中的碳化物是Fe_2.4C,呈细小颗粒或短杆状均匀地分布在铁素体针叶内，且针叶铁素体的碳量也有较高过饱和。由于上贝氏体的渗碳体分布在铁素体板条之间，且又不均匀，使板条容易发生脆断，故硬度虽高，但塑性和韧性差，裂纹容易扩展。下贝氏体的强度、塑性、韧性均高于上贝氏体，这是由于碳化物均匀弥散分布在铁素体针叶内造成沉淀硬化，以及铁素体本身过饱和造成固溶强化综合作用的结果。

在图上有两条水平线，一条是约240℃，一条为50℃。若将奥氏体过冷到这样低的温度，它将转变为另一种组织，称为马氏体，可用符号M来表示。M.表示马氏体转变开始温度，M;表示马氏体转变终止温度。

①马氏体的晶体结构特点马氏体转变是在低温下进行的，铁、碳原子均不能扩散，转变时只通过切变(原子间相对移动)过程来实现，而无成分的变化，即固溶在奥氏体中的碳，全部保留在a-Fe晶格中，使a-Fe超过其平衡量。因此，马氏体实际上是碳在a-Fe中的过饱和固溶体。

②马氏体的组织形态特点 钢中马氏体的组织形态可分为板条状和针状两大类。

板条马氏体的立体形态呈细长的扁棒状，显微组织表现为東東的细条状组织，每束内的条与条之间尺寸大致相同并平行排列，一个奥氏体晶粒内可以形成几个取向不同的马氏体束。在透射电子显微镜下观察表明，马氏体板条的亚结构主要是高密度的位错，因而又称位错马氏体。

针状马氏体的立体形态呈双凸透镜的片状，在光学显微镜下呈针状形态。在透射电子显微镜下观察表明，其亚结构主要是李晶，故又称李晶马氏体。

在一个奥氏体晶粒内，先形成的马氏体片横贯整个晶粒，但不能穿越晶界和孪晶界，后形成的马氏体片不能穿越先形成的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片就越小。显然，奥氏体晶粒越细，转变后最大马氏体片的尺寸也越小。当最大马氏体片细小到在光学显微镜下都无法分辨时的马氏体组织称为隐晶马氏体。

马氏体的形态主要取决于奥氏体中的碳的质量分数，当wc<0.2%时，组织中几乎完全是板条状马氏体，wc>1.0%时，则几乎全部是针状马氏体，wc=0.2%~1.0%时，组织介于两者之间，为板条状和针状马氏体的混合组织。

③马氏体的力学性能特点高硬度是马氏体力学性能的主要特点。 马氏体之所以具有高的硬度，其主要原因是由于过饱和碳引起的晶格畸变，即固溶强化。此外，马氏体转变时造成的大量晶体缺陷(如位错、孪晶等)和组织细化，以及过饱和碳以弥散碳化物析出都对马氏体的强化起重要作用。

马氏体的硬度主要受其碳的质量分数的影响，随碳的质量分数的增加，马氏体的硬度随之增高。当碳的质量分数超过0.6%以后，硬度的增加趋于平缓。合金元素对马氏体的硬度影响不大。

马氏体的塑性和韧性主要取决于其内部亚结构的形式和碳的过饱和度。高碳针状马氏体由于碳的过饱和度大，晶格畸变严重，晶内存在大量李晶，且形成时相互接触撞击而易于产生显微裂纹等原因，造成硬度虽高，但脆性大，塑性、韧性均差。低碳板条状马氏体的亚结构有高密度位错，碳的质量分数低，形成温度较高，会产生“自回火”现象，碳化物析出弥散均匀，因此在具有高强度的同时还具有良好的塑性和韧性，在生产上得到广泛的应用。

④马氏体转变的特点

a、无扩散性。马氏体转变的过冷度极大，转变温度低，铁、碳原子的扩散都极其困难，因此是非扩散型相变，转变过程中没有成分变化，马氏体中碳的质量分数与母相奥氏体中碳的质量分数相同。

b、变温形成。马氏体转变有其开始转变温度(Ms点)和转变终了温度(Mf点)。当过冷奥氏体冷到Ms,点，即发生马氏体转变，转变量随温度的下降而不断增加，一旦冷却中断，转变便很快停止。随后继续冷却，马氏体可继续形成。

c、高速长大。马氏体转变没有孕育期，形成速度极快，瞬间形成，瞬间长大。马氏体转变量的增加，不是靠原马氏体片的继续长大，而是靠马氏体片的不断形成。

d、不完全性。从图可以看出，马氏体转变是在一个温度范围内进行的，含碳量对M:和M点有较大影响。含碳量越高，则马氏体开始转变点M,越低。当过冷奥氏体达到M点时，仍然有一部分奥氏体不能发生转变，因此马氏体转变不能完全进行，而且M:点越低，未转变的奥氏体越多。这种未转变的奥氏体，称为残留奥氏体。在高碳钢的淬火显微组织里，位于马氏体针叶之间存在着的白色小块，便是残留奥氏体。

残留奥氏体对钢性能的影响，应根据具体情况具体分析，不能一概而论。总的来说，它可降低硬度、强度和耐磨性，但可提高钢的塑性和冲击韧度，甚至在一定条件下对提高断裂韧度K_IC亦有利。

(3)碳对C曲线的影响

在正常加热条件下，wc<0.77%时，随着含碳量的增加，C曲线右移，而当wc>0.7%时，随着含碳量增加，C曲线左移。故碳钢中以共析钢过冷奥氏体最为稳定。此外，含碳量还影响C曲线的形状，如图所示。从此图可以看出，亚共析和过共析钢C曲线鼻尖上部区域比共析钢的C曲线多一条曲线。这条曲线表示过冷奥氏体转变为珠光体类型组织之前，已经开始发生相变或析出新相，即形成先共析相。亚共析钢形成先共析铁素体，而过共析钢形成先共析渗碳体。

从图(a)、(c)可以看出，亚共析钢和过共析钢奥氏体化后，如果过冷到C曲线的最不稳定的鼻尖部分，则无先析相析出，奥氏体可以直接转变为托氏体。这时钢的组织与共析钢一样，但钢并非共析成分，称为“伪共析组织”。

图 碳钢的C曲线比较