图1.7 本质细晶粒和本质粗晶粒（示意图） 图1.8 钢加热时奥氏体形成及其晶粒长大示意图
⑵ 钢的成分 奥氏体中的碳含量增高时，晶粒长大的倾向增大。若碳以未溶碳化物的形式存在，则它有阻碍晶粒长大的作用。
钢中加入能形成稳定碳化物的元素（如钛、钒、铌、锆等）和能生成氧化物和氮化物的元素（如适量铝等），有利于得到本质细晶粒钢。因为，碳化物、氧化物和氮化物弥散分布在晶界上，能阻碍晶粒长大。锰和磷是促进晶粒长大的元素。
1.2 钢在冷却时的转变
热处理工艺中，钢在奥氏体化后，接着是进行冷却。冷却的方式通常有两种： （1）等温处理，即将钢迅速冷却到临界点以下的给定温度，进行保温，使其在该温度下恒温转变，如图1.9曲线2所示； （2）连续冷却，即将钢以某种速度连续冷却，使其在临界点以下变温连续转变，如图1-9曲线1所示。
在临界温度以下的奥氏体为过冷奥氏体。按热力学原理，过冷奥氏体居于不稳定状态，将发生相变。
图1.9 热处理的两种冷却方式（示意图）
1—连续冷却；2—等温处理
1.2.1过冷奥氏体的等温转变
1.2.1.1 共析钢过冷奥氏体等温转变曲线图
过冷奥氏体等温转变曲线或等温转变图为过冷奥氏体等温转变的综合动力学曲线，它表明转变所得组织和转变量与转变温度和时间的关系，是钢在不同温度下的等温转变动力学曲线（见图1.10（a））的基础上测定的。即将各温度下的转变开始时间和终了时间标注在温度-时间（对数）坐标系中，并分别把开始点和终了点连成两条曲线，得到转变开始线和转变终了线，如图1.10（b）所示。根据曲线的形状，过冷奥氏体等温转变曲线，一般也简称为C曲线。
在C曲线的下面还有两条水平线；Ms线和Mf线，它们为过冷奥氏体发生低温转变的开始温度和终了温度。
所以C曲线表明，在A1以上，奥氏体是稳定的，不发生转变，能长期存在；在A1以下，奥氏体不稳定，要发生转变，转变之前处于过冷状态，过冷奥氏体的稳定性取决于其转变的孕育期，在曲线的“鼻尖”处(约550℃时)孕育期最短，过冷奥氏体的稳定性最小。“鼻尖”将曲线分成两部分，在上面
图1.10 共析钢等温转变图（C曲线）
(a)不同温度下的等温转变动力学曲线；(b)等温转变图
随温度下降(即过冷度增大)孕育期变短，转变速度加快；在下面，随着温度下降孕育期增长，转变速度变慢。
1.2.1.2 共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和特性
C曲线包括三个转变区：
⑴高温转变 在A1-550℃之间，转变产物为珠光体。此温区称珠光体转变区。 珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，渗碳体呈层状分布在铁素体基体上。转变温度愈低，层间距愈小。习惯上按层间距将珠光体组织分为珠光体（P）、索氏体（S）和屈氏体（T）。它们并无本质区别，也没有严格界限，只是形态上不同。珠光体较粗，索氏体较细，屈氏体最细，见图1.11。它们的大致形成温度及性能见表1-1。
奥氏体向珠光体的转变是一种扩散型的生核、长大过程，是通过碳、铁的扩散和晶体结构的重构来实现的。首先，在奥氏体晶界或缺陷(如位错等)密集处生成渗碳体晶核，并依靠周围奥氏体不断供给碳原子而长大；在此同时，渗碳体晶核周围的奥氏体中碳含量逐渐降低，为形成铁素体创造有利浓度条件。并最终从结构上转变为铁素体。铁素体的溶碳能力很低，在长大过程中必定将过剩碳排移到相邻奥氏体中，使其碳含量升高，这样又为生成新的渗碳体创造了有利条件。上述过程反复进行，奥氏体就逐渐转变成渗碳体和铁素体片层相间的珠光体组织了。
珠光体 索氏体 屈氏体
图1.11 共析钢过冷奥氏体高温转变组织
表1.1 过冷奥氏体高温转变产物的形成温度和性能
组织名称 珠光体 索氏体 屈氏体
表示符号 P S T
形成温度，℃ A1－650 650－600 600－550
硬度 HB170－200 HRC25－35 HRC35－40
能分辨其片层的放大倍数 <500× >1000× >2000×
珠光体形成速度决定于生核速率和长大速度。转变温度越低，生核速率和长大速度越快，因而珠光体的转变速度越大。生核速率比长大速度变化快，特别是当转变温度降低到600℃以下时，由于原子扩散能力降低，长大速度不再增快甚至减慢，所以，珠光体中的铁素体和渗碳体片随温度降低而变薄、变短、即变细。
⑵中温转变 在550℃-Ms之间，转变产物为贝氏体(B)，此温区称贝氏体转变区。 贝氏体是碳化物(渗碳体)分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物。奥氏体向贝氏体的转变属于半扩散型转变，铁原子不扩散而碳原子有一定扩散能力。转变温度不同，形成的贝氏体形态也明显不同。通常将550℃-350℃间形成的称上贝氏体；350℃-Ms间形成的叫下贝氏体。
上贝氏体的形成过程如图1.12所示。先在奥氏体晶界上含碳量较低的地方生成铁素体晶核，然后向晶粒内沿一定方向成排长大。在上贝氏体温区内，碳有一定扩散能力，铁素体片长大时，它能扩散到周围的奥氏体中，使其富碳。当铁素体片间的奥氏体浓度增大到足够高时，便从中析出小条状或小片状渗碳体，断续地分布在铁素体片之间，形成羽毛状上贝氏体，见图1.13（a）和图1.13（b）。
下贝氏体的形成过程如图1.14所示。铁素体晶核首先在奥氏体晶界、孪晶界或晶内某些畸变较大的地方生成，然后沿奥氏体的一定晶向呈针状长大。下贝氏体的转变温度较低，碳原子的扩散能力较小，不能长距离扩散，只能在铁素体针内沿一定晶面以细碳化物粒子的形式析出。在光学显微镜下，下贝氏体为黑色针状组织，见图1.15（a），其电子显微组织见图1.15(b)。
图1.12 上贝氏体形成机制示意图 图1.13下贝氏体形成机制示意图
图1.14 上贝氏体形态
图1.15 下贝氏体形态
贝氏体的机械性能与其形态有关。图1.16表示共析钢的机械性能与等温转变温度的关系。上贝氏体在较高温度形成，其铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；同时，渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断，因此，强度和韧性都较差。下贝氏体形成温度较低，其铁素体针细小，无方向性，碳的过饱和度大，位错密度高，且碳化物分布均匀，弥散度大，所以硬度高，韧性好，具有较好的综合机械性能，是一种很有应用价值的组织。
图1.16 共析钢的机械性能与等温转变温度的关系
⑶低温转变 温度低于Ms点（230℃），转变产物为马氏体（M）。与珠光体和贝氏体转变不同，马氏体转变是不能在恒温下发生的，而是在Ms-Mf之间的一个温度范围内连续冷却时完成的；属于非扩散型转变。因为转变温度很低，铁和碳都不能进行扩散，马氏体成分与奥氏体相同。马氏体就是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。
1.2.1.3 影响C曲线的因素
C曲线的位置和形状与奥氏体的稳定性及分解转变的特性有关，而后二者是决于化学成分和加热时的状态等，所以影响C曲线的因素主要是奥氏体的成分和加热条件。
⑴碳含量 一般随着碳含量的增加，奥氏体的稳定性增大，C曲线的位置向右移。这里指的碳含量是奥氏体的而不是钢的碳含量。对过共析钢，加热到Ac1以上一定温度时，随钢中碳含量增大，奥氏体碳含量不增高，而未溶渗碳体量增多，因它们能作为结晶核心，促进奥氏体分解，所以C曲线左移。过共析钢只有在加热到Accm以上，渗碳体完全溶解时，碳含量的增加才使C曲线右移。因此，在一般热处理加热条件下，碳使亚共析钢C曲线右移，使过共析钢C曲线左移，而共析钢C曲线最靠右边(最稳定)，见图1.17。
另外，亚共析钢、过共析钢与共析钢不同，在奥氏体转变为珠光体之前，有先共析铁素体或渗碳体析出。所以亚共析钢C曲线的左上部多一条先共析铁素体析出线(见图1.17(a))，过共析钢多一条二次渗碳体的析出线(见图1.17(c))。
⑵合金元素 除钴以外，几乎所有溶入奥氏体中的合金元素，都能增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。不形成碳化物的元素如硅、镍、铜等，只使C曲线的位置右移，不改变其形状(见图1.18(a))。能形成碳化物的元素如铬、钼、钨、钒、钛等，因对珠光体转变和贝氏体转变推迟作用的影响程度不同，不仅使C曲线右移，而且使其形状变化，产生两个“鼻子”，整个C曲线分裂成上下两条。上面的为转变成珠光体的C曲线；下面为转变成贝氏体的C曲线。两条曲线之间有一个过冷奥氏体的亚稳定区，如图1.18(b)，(c)所示。
图1.17 碳含量对碳钢C曲线的影响
与碳一样，合金元素只有溶入奥氏体后才能增强过冷奥氏体的稳定性，而未溶的合金碳化物因有利于奥氏体的分解，降低过冷奥氏体的稳定性。