過(guò)冷度對(duì)合金材料組織的影響

　　前面講述了純金屬及鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程以及 終的結(jié)晶組織，但視鏡中這些組織都是理想化的組織。也 是說(shuō)合金的結(jié)晶是在共晶反應(yīng)和共析反應(yīng) 完成的理想冷卻條件下進(jìn)行的。事實(shí)上，這種理想狀態(tài)是不存在的。如果結(jié)晶過(guò)程中過(guò)冷度較大，結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行的較快，那么在溫度降到Ar1以下時(shí)，仍留有部分奧氏體沒(méi)有來(lái)得及轉(zhuǎn)變成鐵素體、珠光體或滲碳體，此部分奧氏體稱為過(guò)冷奧氏體。過(guò)冷奧氏體在低于Ar1以下時(shí)仍將繼續(xù)轉(zhuǎn)變，而且在不同的溫位，轉(zhuǎn)變后得到的組織是不同的。這些組織將對(duì)合金的性能產(chǎn)生影響，有時(shí)甚至產(chǎn)生較大的影響，故對(duì)這個(gè)問(wèn)題有必要作進(jìn)一步的介紹。在第九章中講到的熱處理，也將用到這些理論。

　　1、過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變

　　假如完全控制著冷卻溫度，那么在Ar1以下，視鏡中過(guò)冷奧氏體在不同的溫度下將發(fā)生不同的組織轉(zhuǎn)變。

　　如果將冷卻溫度控制在A1~550℃，則發(fā)生高溫轉(zhuǎn)變，即珠光體型轉(zhuǎn)變。由于滲碳體熔點(diǎn)較高，它首先形核，隨著核心的成長(zhǎng)，周圍的奧氏體因貪碳而轉(zhuǎn)變成鐵素體，鐵素體周圍又因富碳而形成滲碳體，如此反復(fù)即形成一層滲碳體、一層鐵素體相間的機(jī)械混合物，該機(jī)械混合物即為珠光體。但因轉(zhuǎn)變溫度的差異，得到的珠光體粗細(xì)也不同。溫度較高時(shí)，因鐵和碳的擴(kuò)散能力強(qiáng)，形成的珠光體較粗大。通常把在A1~650℃溫度范圍內(nèi)得到的珠光體組織叫做正常珠光體，在650℃~600℃溫度范圍內(nèi)得到的珠光體組織叫做索氏體，在600℃~550℃溫度范圍內(nèi)得到的珠光體叫做屈氏體。顯然，視鏡中屈氏體組織要比索氏體組織細(xì)，索氏體組織要比正常珠光體組織細(xì)。而其表現(xiàn)出的機(jī)械性能也是屈氏體優(yōu)于索氏體，索氏體優(yōu)于正常珠光體。

　　如果將轉(zhuǎn)變溫度控制在550℃~Ms(馬氏體轉(zhuǎn)變溫度)，則發(fā)生中溫轉(zhuǎn)變，即貝氏體型轉(zhuǎn)變。貝氏體為在鐵素體中析出許多細(xì)小的滲碳體而形成的組織。此時(shí)由于轉(zhuǎn)變溫度較低，鐵原子擴(kuò)散困難， 碳子擴(kuò)散而造成。在不同的溫度下，得到的貝氏體形態(tài)是不一樣的。在550℃~350℃溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變時(shí)，得到的組織為上貝氏體組織，此時(shí)的貝氏體形狀呈羽毛狀。這種組織較粗大，致使視鏡中材料的強(qiáng)度和硬度都不高，而塑性和韌性也不好，故工程上不希望得到這種組織;若在350℃~Ms溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變時(shí)，得到的組織為下貝氏體組織。下貝氏體的形態(tài)呈針葉狀。此時(shí)由于碳化物的彌散硬化作用使得材料的性能比較好，即強(qiáng)度和韌性都比較好。

　　如果將轉(zhuǎn)變溫度控制在Ms(約230℃)以下，則發(fā)生低溫轉(zhuǎn)變，即馬氏體轉(zhuǎn)變。此時(shí)由于轉(zhuǎn)變溫度很低，鐵原子和碳原子的擴(kuò)散都 困難，轉(zhuǎn)變后碳以過(guò)飽和的方式溶于α-Fe中，通常把碳在α-Fe中的過(guò)飽和固溶體叫做馬氏體。馬氏體的形態(tài)受合金含碳量的影響也呈多種行狀存在，常見(jiàn)形狀有兩種，其一為板條狀馬氏體(C≤0.2%時(shí))，其二是片狀馬氏體(C≥1.0%時(shí))。視鏡的晶格結(jié)構(gòu)呈高密度錯(cuò)位，從而導(dǎo)致材料的組織不穩(wěn)定性，并產(chǎn)生較大的結(jié)晶應(yīng)力， 重要的是組織中的過(guò)飽和碳原子和高密度的晶格缺陷交互作用，導(dǎo)致了材料的強(qiáng)度和硬度增加，而塑性和韌性急劇下降。

　　2、自然冷卻情況下的過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變

　　自然冷卻情況下，轉(zhuǎn)變溫度將跨過(guò)上述的各個(gè)溫度區(qū)間，而又不在哪個(gè) 定區(qū)間停留足夠的時(shí)間，故過(guò)冷奧氏體在任何 定溫度區(qū)間的轉(zhuǎn)變都是不 的。因此，自然冷卻情況下得到的組織即不完全屬于珠光體組織，又不完全屬于貝氏體組織，也不完全屬于馬氏體組織，而是三者皆有，只不過(guò)對(duì)不同的材料，三者的比例和對(duì)材料性能的影響不同而已。

　　從前面的分析中可知，視鏡中過(guò)冷奧氏體在不同溫度下的轉(zhuǎn)變所得到的組織，有的對(duì)材料性能是有利的，有的是不利的。對(duì)某些材料，自然冷卻情況下得到的組織可能是不利的，此時(shí)可通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚?，即通過(guò)控制轉(zhuǎn)變溫度，從而可以獲得有利的組織而避開(kāi)不利的組織。

　　3、過(guò)冷度的影響

　　過(guò)冷度越大，奧氏體在高溫下(Ac1以上)轉(zhuǎn)變的時(shí)間越短，那么產(chǎn)生的過(guò)冷奧氏體量越多，使得低溫(Ar1以下)轉(zhuǎn)變得到組織越多，尤其是得到的馬氏體組織越多。因此常說(shuō)的淬火(急冷)易到淬硬馬氏體組織的原因正在于此。對(duì)于淬火組織，一般要再進(jìn)行一次高溫回火處理，使馬氏體分解并在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。需要說(shuō)明的是，不同的視鏡材料，其珠光體、貝氏體和馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度是不同的，因此導(dǎo)致了不同材料其熱處理溫度也不同，有關(guān)熱處理的知識(shí)將在第九章中介紹。