冷卻是鋼熱處理的三個工序中影響性能的重要環(huán)節(jié)，鋼件奧氏體化狀態(tài)相同而冷卻轉(zhuǎn)變不同，可以生成不同的室溫組織。

（1） 熱處理冷卻方式通常有兩種，即等溫冷卻和連續(xù)冷卻。

所謂等溫轉(zhuǎn)變是指將奧氏體化的鋼件迅速冷卻至Ar1以下某一溫度并保溫，使其在該溫度下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，然后再冷卻至室溫，見圖4-23所示。

連續(xù)冷卻則是將奧氏體化的鋼件連續(xù)冷卻至室溫，并在連續(xù)冷卻過程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。

圖4-23  等溫冷卻和連續(xù)冷卻

（2）過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變

所謂“過冷奧氏體”是指在相變溫度A1以下，未發(fā)生轉(zhuǎn)變而處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體（A’）。在不同的過冷度下，反映過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物與溫度及時間關(guān)系的曲線稱為過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的曲線。由于曲線形狀像字母C，故又稱為C曲線，如圖4-24。

圖4-24   共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線

        共析鋼過冷奧氏體在Ar1線以下不同溫度會發(fā)生三種不同的轉(zhuǎn)變，即珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變。

a. 珠光體轉(zhuǎn)變  共析成分的奧氏體過冷到Ar1～550℃高溫區(qū)某溫度等溫停留時，將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體型組織，是由鐵素體和滲碳體的層片組成的混合物。由于過冷奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變溫度不同，珠光體中鐵素體和滲碳體片厚度也不同。在Ar1～650℃范圍內(nèi)，片間距較大，稱為珠光體（P）；在650～600℃范圍內(nèi)，片間距較小，稱為索氏體（S）；在600～550℃范圍內(nèi)，片間距很小，稱為屈氏體（T）。

珠光體組織中的片間距愈小，相界面愈多，強(qiáng)度和硬度愈高；同時由于滲碳體變薄，使得塑性和韌性也有所改善。

b. 貝氏體轉(zhuǎn)變  共析成分的奧氏體過冷到550℃～Ms的中溫區(qū)某溫度停留時，將發(fā)生過冷奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變，形成貝氏體（B）。由于過冷度較大，轉(zhuǎn)變溫度較低，貝氏體轉(zhuǎn)變時只發(fā)生碳原子的擴(kuò)散而不發(fā)生鐵原子的擴(kuò)散。因而，貝氏體是由于含過飽和碳的鐵素體和碳化物組成的兩相混合物。

       按組織形態(tài)和轉(zhuǎn)變溫度，可將貝氏體組織分為上貝氏體（B上）和下貝氏體（B下）兩種。上貝氏體在550～350℃溫度范圍內(nèi)形成的。由于脆性較高，基本無實用價值，這里不予討論；下貝氏體是在350℃～Ms點溫度范圍內(nèi)形成的。它由含過飽和的細(xì)小針片狀鐵素體和鐵素體片內(nèi)彌散分布的碳化物組成，因而具有較高的強(qiáng)度和硬度、塑性和韌性。在實際生產(chǎn)中常采用等溫淬火來獲得下貝氏體。

c. 馬氏體轉(zhuǎn)變  當(dāng)過冷奧氏體被快速冷卻到Ms點以下時，便發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，形成馬氏體（M）。奧氏體為面心立方晶體結(jié)構(gòu)，當(dāng)快速冷卻抑制珠光體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生，直接過冷至Ms以下時，其晶體結(jié)構(gòu)將以切變方式轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶體結(jié)構(gòu)。由于轉(zhuǎn)變溫度較低，原奧氏體中溶解的過飽和碳原子沒有能力擴(kuò)散，致使所有溶解在原奧氏體中的碳原子難以析出，使馬氏體體心立方晶格發(fā)生畸變，含碳量越高，畸變越大，內(nèi)應(yīng)力也越大。馬氏體實質(zhì)上就是碳溶于α-Fe中過飽和間隙固溶體。馬氏體的強(qiáng)度和硬度主要取決于馬氏體的碳含量。

       當(dāng)Wc低于0.2%時，可獲得呈一束束尺寸大體相同的平行條狀馬氏體，稱為板條狀馬氏體，如圖4-5a所示。

        當(dāng)鋼的組織為板條狀馬氏體時，具有較高的硬度和強(qiáng)度、較好的塑性和韌性。當(dāng)馬氏體中Wc大于0.6%時，得到針片狀馬氏體，如圖4-5b所示。片狀馬氏體具有很高的硬度，但塑性和韌性很差，脆性大。當(dāng)Wc在0.2%～0.6%之間時，低溫轉(zhuǎn)變得到板條狀馬氏體與針狀馬氏體混合組織。隨著碳含量的增加，板條狀馬氏體量減少而針片狀馬氏體量增加。

           實際生產(chǎn)中，馬氏體轉(zhuǎn)變不是等溫轉(zhuǎn)變，而是在一定溫度范圍內(nèi)（Ms～Mf）快速連續(xù)冷卻完成的轉(zhuǎn)變。隨溫度降低，馬氏體量不斷增加。而實際淬火操作時，冷卻只進(jìn)行到室溫，這時奧氏體不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，還有部分奧氏體未發(fā)生轉(zhuǎn)變而保留下來，稱為殘余奧氏體。過多的殘余奧氏體會降低鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，而且因殘余奧氏體為不穩(wěn)定組織，在鋼件使用過程中易發(fā)生轉(zhuǎn)變而導(dǎo)致工件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，引起變形、尺寸變化，從而降低工件精度。因此，生產(chǎn)中常對硬度要求高或精度要求高的工件，淬火后迅速將其置于低于Mf的溫度下，促使殘余奧氏體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成馬氏體，這一工藝過程稱為“冷處理”。

             亞共析鋼和過共析鋼過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線與共析鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線相比，除了C曲線分別多出一條先析鐵素體析出線或先析滲碳體析出線外，形態(tài)相似。通常，亞共析鋼的C曲線隨著含碳量的增加而向右移，過共析鋼的C曲線隨著含碳量的增加而向左移。故在碳鋼中，共析鋼的C曲線最靠右，其過冷奧氏體最穩(wěn)定。

（3）過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變

               在實際生產(chǎn)中，奧氏體的冷卻轉(zhuǎn)變大多是在連續(xù)冷卻過程中進(jìn)行，故有必要對過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線有所了解。它也是由實驗方法測定的，與等溫轉(zhuǎn)變曲線的區(qū)別在于連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線位于曲線的右下側(cè)，且沒有C曲線的下部分，即共析鋼在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變時，得不到貝氏體組織。這是因為共析鋼貝氏體轉(zhuǎn)變的孕育期很長，當(dāng)過冷奧氏體連續(xù)冷卻通過貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)尚未發(fā)生轉(zhuǎn)變時就已過冷到Ms點而發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，所以不出現(xiàn)貝氏體轉(zhuǎn)變。連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線又稱CCT圖，如圖4-25所示。

圖2-25 連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線CCT圖

                          圖中Ps和Pf表示A→P的開始線和終了線，K線表示A→P的終止線，若冷卻曲線碰到K線，這時A→P轉(zhuǎn)變停止，繼續(xù)冷卻時奧氏體一直保持到Ms點溫度以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

                        稱為臨界冷卻速度，也稱為上臨界冷卻速度 ,它是獲得全部馬氏體組織的最小冷卻速度。 愈小，鋼在淬火時越容易獲得馬氏體組織，即鋼接受淬火的能力愈大。 為下臨界冷卻速度，是保證奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的最大冷卻速度。 越小，則退火速度所需時間越長。