3-2 热处理条件及金相组织

理想情况下，淬火应产生完整的马氏体组织，以更大限度地发挥机械结构钢的性能。要成为完全马氏体，一切都必须通过淬火和加热成为奥氏体。由于所有机械结构钢都是亚共晶钢，淬火加热温度必须高于A 3转变点，一般从高于A 3 此外，为了增加所需的机械性能，必须在适当的条件下进行回火处理。

图1 铁碳平衡图及金相组织

图2 S45C淬火温度与淬火组织的关系

机械结构钢的淬火温度基本由图1所示的铁碳平衡图确定。例如S45C的A3转变点在780℃左右，所以合适的淬火温度范围是820～870℃。例如，图 2 显示了从 730°C、750°C 和 850°C 的温度进行水淬的 S45C（试件尺寸：直径 15 mm，高度 30 mm）的显微组织。

(1)从A 1相变点与A 3相变点之间的温度淬火时

金相组织为马氏体和铁素体的混合组织，无法获得足够的淬火硬度。当在该温度下加热时，它呈现出奥氏体（γFe）和铁素体（αFe）的混合结构。即，当奥氏体从该状态急速冷却时，奥氏体转变为马氏体并硬化，但铁素体在室温下残留。

(2)从适当温度(850℃)淬火时

在这个温度下加热，就变成了完整的奥氏体组织，所以如果迅速冷却并通过Ms点，就可以得到正常的马氏体单相。但是，即使从这个温度开始淬火，如果冷却速度变慢，除了马氏体之外，还会产生细小的珠光体。另外，进一步提高加热温度，生成粗大的马氏体，晶粒自然也粗大，在韧性和延展性方面不利。

图3 S45C淬火组织示例

当钢从相变点以上的奥氏体状态快速冷却并通过Ms点时，碳保持在固溶体中直至室温并转变为马氏体。这种马氏体转变是从单相（奥氏体）到单相（马氏体）的转变，并且是非扩散转变，因为它不涉及元素的运动。然而，随着晶体结构从面心立方 (fcc) 奥氏体变为体心四方 (bct) 马氏体，体积会扩大。

需要高于上限临界冷却速度的冷却速度（见第 1 章中的 1-6）才能获得完整的马氏体单相。如果冷却速度比上限临界冷却速度慢，则在达到Ms点之前发生珠光体转变，导致珠光体混入马氏体组织中的组织。

此时生成的珠光体的铁素体与渗碳体的距离很小，因此用普通金相显微镜无法确认珠光体原来的层状图案，但通常称为细珠光体。例如，如图 3 所示，与马氏体相比，细珠光体组织外观极易受到蚀刻液的腐蚀，因此可以识别为黑色组织。

图4 SCM44从850°C回火然后在550°C回火的金属组织。

由于马氏体中溶解有碳过饱和，因此坚硬且极脆，因此不能直接用作机械零件。因此，机械结构钢是通过淬火后回火来调整其力学性能来使用的。

例如，图 4 显示了 SCM440 从 850°C 淬火然后在 550°C 回火的显微组织。由于所有机械结构钢都具有相似的结构，因此很难用微观结构来确定钢种。此时的金相组织通常称为索氏体，从扫描电镜图像可以看出，铁素体组织中析出大量渗碳体（微粒）。这种索氏体是坚韧的，是机械结构钢的标准回火结构。

在350℃左右回火时的金相组织称为屈氏体，它是铁素体和细渗碳体的混合物，类似于索氏体。然而，这种情况下的渗碳体比索氏体细得多。

由于回火组织是通过对淬火生成的马氏体进行回火处理而获得的，因此无论回火温度如何，更近似乎也常被称为回火马氏体。