鋼加熱奧氏體化后，以一定的速度冷卻下來(lái)，獲得期望的組織和性能，這是鋼熱處理的主要目的。因此，鋼自高溫奧氏體狀態(tài)的冷卻過(guò)程是鋼熱處理的又一個(gè)重要過(guò)程。
鋼自高溫奧氏體狀態(tài)冷卻過(guò)程中將發(fā)生奧氏體的組織轉(zhuǎn)變。不同的冷卻速度可以獲得不同的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及不同的性能。
到目前為止，一般的觀點(diǎn)是認(rèn)為鋼在冷卻時(shí)，依冷卻速度不同，可以發(fā)生三種類(lèi)型的組織轉(zhuǎn)變，即珠光體型轉(zhuǎn)變、貝氏體型轉(zhuǎn)變和馬氏體型轉(zhuǎn)變。
一、珠光體型轉(zhuǎn)變
具有共析成分的高溫奧氏體，在A1溫度以下恒溫轉(zhuǎn)變時(shí)，以共析轉(zhuǎn)變的方式轉(zhuǎn)變成珠光體。珠光體的轉(zhuǎn)變也有一個(gè)形核和長(zhǎng)大的過(guò)程。由于在高溫奧氏體中，碳及合金元素成分基本上是均勻的，而共析轉(zhuǎn)變成的珠光體是低碳的鐵素體和高碳的滲碳體的混合物，可見(jiàn)在這個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，發(fā)生了碳的擴(kuò)散和鐵原子的點(diǎn)陣改組過(guò)程（由面心立方晶格的γ相改組成體心立方晶格的a相）。當(dāng)然，對(duì)于亞共析鋼或過(guò)共析鋼，除珠光體轉(zhuǎn)變外，還有先共析鐵素體或先共析滲碳體的析出過(guò)程。
在馬氏體不銹鋼中，鉻元素對(duì)奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變也會(huì)產(chǎn)生影響。這種影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
1. 如同在加熱轉(zhuǎn)變時(shí)一樣，鉻會(huì)減緩碳的擴(kuò)散作用。
2. 鉻的存在增加了原子間的結(jié)合力而降低了鐵原子的潔動(dòng)能力，使鐵原子的自擴(kuò)散變慢。
3. 鉻是強(qiáng)碳化物形成元素，所以，在珠光體形成過(guò)程中，還有鉻本身的擴(kuò)散過(guò)程，鉻本身的擴(kuò)散是緩慢的。
所以，馬氏體不銹鋼發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)，由于鉻的存在，使這個(gè)轉(zhuǎn)變變得困難了，或者說(shuō)，馬氏體不銹鋼高溫奧氏體顯得穩(wěn)定了。以至于在實(shí)際熱處理時(shí)，即便較慢的冷卻速度冷卻，也不會(huì)像碳鋼那樣容易發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。結(jié)果使奧氏體能保留到較低的溫度。
鉻的加入對(duì)馬氏體不銹鋼冷卻轉(zhuǎn)變的另一個(gè)影響是對(duì)奧氏體轉(zhuǎn)變圖形狀的改變，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一是使珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)和中溫轉(zhuǎn)變區(qū)（貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)）分離；二是使轉(zhuǎn)變圖右移，這是奧氏體穩(wěn)定的一個(gè)表現(xiàn)。圖4-9是3Cr13鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線圖。
當(dāng)然，圖4-9所示曲線圖還應(yīng)考慮其他一些合金元素的影響效果。
關(guān)于珠光體強(qiáng)度，許多研究結(jié)果表明，珠光體的強(qiáng)度主要決定于片間距，片間距越小強(qiáng)度越高。而片間距又主要取決于珠光體的轉(zhuǎn)變溫度，轉(zhuǎn)變溫度越低則片間距越小。鉻元素的加入提高了共析溫度，實(shí)際上增加了給定等溫溫度下的過(guò)冷度，即增加了相變驅(qū)動(dòng)力，使片間距變小。從這一理論來(lái)說(shuō)，馬氏體不銹鋼轉(zhuǎn)變的珠光體片間距應(yīng)較小，故珠光體強(qiáng)度會(huì)有所提高。
二、貝氏體轉(zhuǎn)變（中溫轉(zhuǎn)變）
根據(jù)鋼的熱處理原理，高溫奧氏體過(guò)冷到中溫轉(zhuǎn)變區(qū)（一般在550~200℃,依鋼成分不同而異），會(huì)發(fā)生中溫轉(zhuǎn)變，也叫貝氏體轉(zhuǎn)變。依轉(zhuǎn)變溫度的不同，形成的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形態(tài)也不同。在中溫轉(zhuǎn)變上部溫度區(qū)形成的叫上貝氏體呈束條狀，在下部溫度區(qū)形成的叫下貝氏體呈針狀。由于組織形態(tài)不同，在性能上也有差異。
對(duì)于奧氏體的中溫轉(zhuǎn)變，一般認(rèn)為有以下特點(diǎn)。
1. 中溫轉(zhuǎn)變開(kāi)始前，奧氏體中的碳和合金元素已發(fā)生了不均勻的分布，在含碳較低的具有合適合金元素濃度的區(qū)域，會(huì)形成α鐵晶核，一部分還會(huì)長(zhǎng)大。
2. γ→α的轉(zhuǎn)變是按馬氏體轉(zhuǎn)變方式進(jìn)行的，發(fā)生鐵原子的點(diǎn)陣改組，每個(gè)鐵原子只能進(jìn)行較小的位移，而不能進(jìn)行擴(kuò)散。
3. 在y→α轉(zhuǎn)變的同時(shí)，碳的活動(dòng)方式是有的通過(guò)相界面自y相向α相擴(kuò)散，也有的在α相內(nèi)沉淀為碳化物。而合金元素本身在轉(zhuǎn)變過(guò)程中沒(méi)有擴(kuò)散。
鉻元素在貝氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中，不會(huì)發(fā)揮像在珠光體轉(zhuǎn)變中的那些作用，只能對(duì)中溫轉(zhuǎn)變中碳的擴(kuò)散產(chǎn)生一定的阻礙作用，使貝氏體形成速度減緩。
合金元素對(duì)貝氏體性能的影響，概括如下：
1. 上貝氏體的強(qiáng)度和韌性主要決定于鐵素體條片的平均寬度和碳化物的大小、分布、性質(zhì)。由于上貝氏體中的鐵素體固溶碳量不多，位錯(cuò)密度較小，因此，碳的固溶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化作用不明顯。
2. 下貝氏體的強(qiáng)度、韌性主要取決于碳化物的數(shù)量、分散度和位錯(cuò)密度，因此，下貝氏體具有較好的強(qiáng)度、塑韌性。雖然下貝氏體內(nèi)鐵素體固溶碳量有所變化，但下貝氏體的強(qiáng)度并不主要決定于碳的固溶強(qiáng)化。
因此，可認(rèn)為，形成碳化物的元素鉻在貝氏體中，應(yīng)是通過(guò)對(duì)碳化物影響來(lái)體現(xiàn)對(duì)其性能的作用。
三、馬氏體轉(zhuǎn)變
對(duì)于馬氏體不銹鋼，通過(guò)淬火獲得馬氏體，再經(jīng)過(guò)回火獲得回火馬氏體（低溫回火）或索氏體（高溫回火），并獲得要求的性能。所以，馬氏體不銹鋼熱處理的淬火，即奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變更具有重要意義。
如前所述，馬氏體不銹鋼由于鉻等合金元素的作用，使奧氏體更穩(wěn)定了，不易發(fā)生向珠光體和貝氏體的轉(zhuǎn)變，這就為其獲得馬氏體組織提供了有利條件。
要得到淬火馬氏體，必須以大于臨界冷卻速度的冷卻方式冷卻奧氏體，冷卻到馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度（Ms)以下。馬氏體轉(zhuǎn)變是在不斷冷卻過(guò)程中進(jìn)行的。溫度下降停止，則馬氏體轉(zhuǎn)變停滯、終止，并且冷卻到室溫以下，有的甚至冷卻到馬氏體轉(zhuǎn)變終止溫度（Mf),還會(huì)有未轉(zhuǎn)變的奧氏體保持下來(lái)，這部分奧氏體被稱為殘留奧氏體。
1. 馬氏體轉(zhuǎn)變特點(diǎn)
奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變與向珠光體轉(zhuǎn)變和向貝氏體轉(zhuǎn)變是不同的。馬氏體轉(zhuǎn)變主要有以下特點(diǎn)。
①. 馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，與母相奧氏體保持共格關(guān)系，在磨光的表面上有浮凸現(xiàn)象。
②. 馬氏體和母相奧氏體間存在嚴(yán)格的結(jié)晶學(xué)關(guān)系，兩相間存在位向關(guān)系。
③. 馬氏體總是沿著母相奧氏體中一定的面形成，常稱慣習(xí)面。
④. 馬氏體形成之后，原奧氏體中的碳原子會(huì)自然進(jìn)入馬氏體的間隙位置中。
⑤. 馬氏體相變獲得的體心立方晶格是在切變過(guò)程中形成的，這種切變可能是滑移或?qū)\晶，同時(shí)在馬氏體內(nèi)部留下晶體缺陷（亞結(jié)構(gòu)）。
⑥. 奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變是非擴(kuò)散性的，不發(fā)生元素濃度變化。
⑦. 馬氏體轉(zhuǎn)變只有在轉(zhuǎn)變溫度低于鋼中新舊兩相（α相和γ相）自由能相等的臨界溫度時(shí)，才會(huì)存在“無(wú)擴(kuò)散相變驅(qū)動(dòng)力”，促進(jìn)馬氏體形成，溫度越低，這個(gè)驅(qū)動(dòng)力越大，馬氏體轉(zhuǎn)變?cè)饺菀走M(jìn)行。
⑧. 生成的馬氏體不能越過(guò)母相奧氏體的晶界。
⑨. 合金元素對(duì)馬氏體相變點(diǎn)有不同的影響，如鉻、鉬、鎳等使Ms 點(diǎn)下降，鈷、鋁等使M、點(diǎn)上升。見(jiàn)圖4-10。當(dāng)然，也有的學(xué)者對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變有不同見(jiàn)解，對(duì)馬氏體無(wú)擴(kuò)散性轉(zhuǎn)變提出質(zhì)疑。
2. 馬氏體形態(tài)、亞結(jié)構(gòu)和強(qiáng)韌度
在鋼的使用中，要求強(qiáng)韌性時(shí)，應(yīng)獲得的最基本、最主要的組織就是馬氏體。鋼的強(qiáng)韌性與馬氏體的形態(tài)，內(nèi)部顯微組織及亞結(jié)構(gòu)有關(guān)。
①. 馬氏體的形態(tài)是指馬氏體基本單元晶體的幾何外形
根據(jù)研究，有的學(xué)者將馬氏體形態(tài)分成五類(lèi)：即板條狀馬氏體、針狀馬氏體、蝴蝶狀馬氏體、薄板狀馬氏體、e'馬氏體。對(duì)于馬氏體不銹鋼來(lái)說(shuō)，最常見(jiàn)的是前兩類(lèi)，即板條狀馬氏體和針狀馬氏體。
板條狀馬氏體（有的稱塊狀馬氏體）單元晶體的立體外形是長(zhǎng)條狀，利用透射電鏡及電子衍射技術(shù)分析時(shí)，可見(jiàn)一條狀馬氏體單元，實(shí)際上是由許多更為細(xì)小的板條晶大致上按同一方位排列而成的。這種板條晶體在一般光學(xué)顯微鏡下看不出來(lái)。板條狀馬氏體常出現(xiàn)在含碳量較低的碳鋼、合金鋼、馬氏體不銹鋼中。
針狀馬氏體（有的稱透鏡狀馬氏體、片狀馬氏體）的單元晶體的立體外形是透鏡狀，是以單個(gè)馬氏體晶體形式出現(xiàn)的，在顯微鏡下呈多向分布。在實(shí)用鋼中，針狀馬氏體一般都很細(xì)，在光學(xué)顯微鏡下不具有明顯的組織特征。針狀馬氏體多出現(xiàn)在碳量較高的碳鋼、合金鋼、馬氏體不銹鋼中。
②. 馬氏體的亞結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)是指馬氏體內(nèi)存在的晶體缺陷
在電子顯微鏡下觀察，板條狀馬氏體內(nèi)部存在的缺陷是以高密度的位錯(cuò)為主，用電鏡測(cè)定位錯(cuò)密度為0.3x1012/c㎡~0.9x102/c㎡;晶體內(nèi)大都是密度很高的位錯(cuò)線。所以，習(xí)慣上稱板條狀馬氏體叫位錯(cuò)馬氏體。
針狀馬氏體內(nèi)部存在的缺陷以孿晶為主，在電子顯微鏡下顯示出其亞結(jié)構(gòu)為細(xì)的李晶（寬距約為5nm).所以，也有的稱針狀馬氏體為李晶馬氏體。
應(yīng)該指出，馬氏體的亞結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，已發(fā)現(xiàn)，板條狀馬氏體內(nèi)有細(xì)的李晶存在，在針狀馬氏體內(nèi)也有高密度的位錯(cuò)。
③. 馬氏體的強(qiáng)韌性
關(guān)于馬氏體的強(qiáng)韌性及其影響因素等問(wèn)題，是許多學(xué)者關(guān)注和著力研究的課題。這是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，要完整地說(shuō)明其本質(zhì)和區(qū)分各種因素的作用仍然是困難的，而且各學(xué)派還存在一些不同的觀點(diǎn)。
a. 馬氏體的強(qiáng)度
較早期的一些研究認(rèn)為：碳及合金元素的固溶作用是強(qiáng)化馬氏體的原因。特別是馬氏體的硬度和強(qiáng)度的提高與碳含量的增加成正比。似乎說(shuō)明碳的固溶強(qiáng)化是馬氏體化的主要原因。碳作為溶質(zhì)原子嵌入α-Fe晶格的八面體間謝中，使晶格產(chǎn)生畸變，造成強(qiáng)硬化效應(yīng)。近期的一些研究結(jié)果表明，馬氏體強(qiáng)度隨碳含量增加而提高是因?yàn)樘继岣唏R氏體相變時(shí)的位錯(cuò)密度的結(jié)果。位錯(cuò)密度越高，金屬抵抗塑性變形的能力就越大。
馬氏體的強(qiáng)度還與原始奧氏體的晶粒大小有關(guān)。如果原始奧氏體晶粒細(xì)小，則轉(zhuǎn)變成的馬氏體領(lǐng)域及馬氏體片也細(xì)小，更多的界面阻礙了晶粒受力時(shí)滑移帶的運(yùn)動(dòng)。還有的解釋說(shuō)原始奧氏體晶粒小，在馬氏體相變時(shí)，會(huì)提高位錯(cuò)密度而使馬氏體強(qiáng)度增加。
綜上觀點(diǎn)，可總結(jié)為：淬火馬氏體的高強(qiáng)度是碳和合金元素固溶強(qiáng)化、馬氏體條片周界及馬氏體內(nèi)位錯(cuò)密度的綜合貢獻(xiàn)結(jié)果。
b. 馬氏體的韌性
馬氏體的韌性與含碳量有關(guān)，低碳（C≤0.4%)馬氏體具有較好的韌性，隨著含碳量的增加，韌性顯著下降。韌性與碳的關(guān)系，本質(zhì)是碳對(duì)馬氏體的形態(tài)和亞結(jié)構(gòu)的影響結(jié)果。研究表明，馬氏體的韌性與馬氏體形態(tài)和亞結(jié)構(gòu)有明顯的關(guān)系。馬氏體中的孿晶馬氏體比例越大，其韌性下降也越大。
有試驗(yàn)證明，在相同的屈服強(qiáng)度下，位錯(cuò)型馬氏體的斷裂韌性比孿晶馬氏體高得多。在相同的強(qiáng)度條件下，條狀馬氏體的斷裂制性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于針狀馬氏體，并且，馬氏體的韌性還隨著板條寬度和領(lǐng)域大小的減小而增加。經(jīng)進(jìn)一步研究和分析認(rèn)為，馬氏體中的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)可動(dòng)性較孿晶大，由于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)能緩和局部地區(qū)的應(yīng)力集中，延緩裂紋形核，即使存有微裂紋，也會(huì)削減裂紋尖的應(yīng)力峰值。這當(dāng)然對(duì)馬氏體的韌性有利。還有的認(rèn)為，板條狀馬氏體在原奧氏體晶粒內(nèi)部排列成束狀，說(shuō)明產(chǎn)生馬民體相變時(shí)，晶體間不發(fā)生相互撞擊作用，所以不會(huì)產(chǎn)生顯微裂紋。而孿昌馬氏體形態(tài)呈片狀，馬氏體相變時(shí)，片與片之間的撞擊作用會(huì)促進(jìn)顯微裂紋的產(chǎn)生。
在探討馬氏體強(qiáng)韌性問(wèn)題時(shí)，應(yīng)指出：馬氏體的強(qiáng)韌性不應(yīng)孤立地看做是哪一種因素作用的結(jié)果，而與合金成分、固溶強(qiáng)化作用、馬氏體形成方式、馬氏體形態(tài)及亞結(jié)構(gòu)等多種因素都有密切的關(guān)聯(lián)。
通過(guò)對(duì)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變理論及轉(zhuǎn)變馬氏體特性的了解，可知由于鉻的存在，馬氏體不銹鋼在淬火時(shí)，由奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中與碳鋼相比，具有一些特殊之處。
（1) 鉻等合金元素的存在，使奧氏體穩(wěn)定性增強(qiáng)，在冷卻過(guò)程中不易發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變，在較緩慢的冷卻條件下，仍可發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。所以，馬氏體不銹鋼在油冷、風(fēng)冷，甚至于空冷條件下，均可獲得淬火馬氏體組織。
（2) 合金元素使奧氏體穩(wěn)定化的另一個(gè)影響是，馬氏體不銹鋼淬火后，會(huì)存在未進(jìn)行轉(zhuǎn)變的殘留奧氏體。這使得馬氏體不銹鋼淬火后，與同等含碳量的碳鋼相比，淬火硬度略有下降。
（3) 馬氏體不銹鋼的淬透性高于碳鋼，使得較大尺寸的零件也能獲得淬火馬氏體組織，保證大截面零件也能得到均勻的組織和良好的性能。
（4) 馬氏體不銹鋼中，因含有較多的難溶合金碳化物，特別是當(dāng)碳含量較高時(shí)，碳化物會(huì)保留在淬火組織中，可明顯提高材料的硬度和耐磨性能。
