鋼加熱奧氏體化后，以一定的速度冷卻下來，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)的冷卻過程是鋼熱處理的又一個重要過程。
鋼自高溫奧氏體狀態(tài)冷卻過程中將發(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，一般的觀點是認為鋼在冷卻時，依冷卻速度不同，可以發(fā)生三種類型的組織轉(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，以共析轉(zhuǎn)變的方式轉(zhuǎn)變成珠光體。珠光體的轉(zhuǎn)變也有一個形核和長大的過程。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，可見在這個轉(zhuǎn)變過程中，發(fā)生了碳的擴散和鐵原子的點陣改組過程（由面心立方晶格的γ相改組成體心立方晶格的a相）。當然，對于亞共析鋼或過共析鋼，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程。
在馬氏體不銹鋼中，鉻元素對奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變也會產(chǎn)生影響。這種影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面。
1. 如同在加熱轉(zhuǎn)變時一樣，鉻會減緩碳的擴散作用。
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能力，使鐵原子的自擴散變慢。
3. 鉻是強碳化物形成元素，所以，在珠光體形成過程中，還有鉻本身的擴散過程，鉻本身的擴散是緩慢的。
所以，馬氏體不銹鋼發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變時，由于鉻的存在，使這個轉(zhuǎn)變變得困難了，或者說，馬氏體不銹鋼高溫奧氏體顯得穩(wěn)定了。以至于在實際熱處理時，即便較慢的冷卻速度冷卻，也不會像碳鋼那樣容易發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。結(jié)果使奧氏體能保留到較低的溫度。
鉻的加入對馬氏體不銹鋼冷卻轉(zhuǎn)變的另一個影響是對奧氏體轉(zhuǎn)變圖形狀的改變，主要體現(xiàn)在兩個方面。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)定的一個表現(xiàn)。圖4-9是3Cr13鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線圖。
當然，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)于珠光體強度，許多研究結(jié)果表明，珠光體的強度主要決定于片間距，片間距越小強度越高。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，實際上增加了給定等溫溫度下的過冷度，即增加了相變驅(qū)動力，使片間距變小。從這一理論來說，馬氏體不銹鋼轉(zhuǎn)變的珠光體片間距應(yīng)較小，故珠光體強度會有所提高。
二、貝氏體轉(zhuǎn)變（中溫轉(zhuǎn)變）
根據(jù)鋼的熱處理原理，高溫奧氏體過冷到中溫轉(zhuǎn)變區(qū)（一般在550~200℃,依鋼成分不同而異），會發(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。
對于奧氏體的中溫轉(zhuǎn)變，一般認為有以下特點。
1. 中溫轉(zhuǎn)變開始前，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，會形成α鐵晶核，一部分還會長大。
2. γ→α的轉(zhuǎn)變是按馬氏體轉(zhuǎn)變方式進行的，發(fā)生鐵原子的點陣改組，每個鐵原子只能進行較小的位移，而不能進行擴散。
3. 在y→α轉(zhuǎn)變的同時，碳的活動方式是有的通過相界面自y相向α相擴散，也有的在α相內(nèi)沉淀為碳化物。而合金元素本身在轉(zhuǎn)變過程中沒有擴散。
鉻元素在貝氏體轉(zhuǎn)變過程中，不會發(fā)揮像在珠光體轉(zhuǎn)變中的那些作用，只能對中溫轉(zhuǎn)變中碳的擴散產(chǎn)生一定的阻礙作用，使貝氏體形成速度減緩。
合金元素對貝氏體性能的影響，概括如下：
1. 上貝氏體的強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，位錯密度較小，因此，碳的固溶強化和位錯強化作用不明顯。
2. 下貝氏體的強度、韌性主要取決于碳化物的數(shù)量、分散度和位錯密度，因此，下貝氏體具有較好的強度、塑韌性。雖然下貝氏體內(nèi)鐵素體固溶碳量有所變化，但下貝氏體的強度并不主要決定于碳的固溶強化。
因此，可認為，形成碳化物的元素鉻在貝氏體中，應(yīng)是通過對碳化物影響來體現(xiàn)對其性能的作用。
三、馬氏體轉(zhuǎn)變
對于馬氏體不銹鋼，通過淬火獲得馬氏體，再經(jīng)過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)變開始溫度（Ms)以下。馬氏體轉(zhuǎn)變是在不斷冷卻過程中進行的。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),還會有未轉(zhuǎn)變的奧氏體保持下來，這部分奧氏體被稱為殘留奧氏體。
1. 馬氏體轉(zhuǎn)變特點
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。
①. 馬氏體轉(zhuǎn)變時，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格的結(jié)晶學關(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，常稱慣習面。
④. 馬氏體形成之后，原奧氏體中的碳原子會自然進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程中形成的，這種切變可能是滑移或?qū)\晶，同時在馬氏體內(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，才會存在“無擴散相變驅(qū)動力”，促進馬氏體形成，溫度越低，這個驅(qū)動力越大，馬氏體轉(zhuǎn)變越容易進行。
⑧. 生成的馬氏體不能越過母相奧氏體的晶界。
⑨. 合金元素對馬氏體相變點有不同的影響，如鉻、鉬、鎳等使Ms 點下降，鈷、鋁等使M、點上升。見圖4-10。當然，也有的學者對馬氏體轉(zhuǎn)變有不同見解，對馬氏體無擴散性轉(zhuǎn)變提出質(zhì)疑。
2. 馬氏體形態(tài)、亞結(jié)構(gòu)和強韌度
在鋼的使用中，要求強韌性時，應(yīng)獲得的最基本、最主要的組織就是馬氏體。鋼的強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，有的學者將馬氏體形態(tài)分成五類：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。對于馬氏體不銹鋼來說，最常見的是前兩類，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條狀，利用透射電鏡及電子衍射技術(shù)分析時，可見一條狀馬氏體單元，實際上是由許多更為細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顯微鏡下看不出來。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，是以單個馬氏體晶體形式出現(xiàn)的，在顯微鏡下呈多向分布。在實用鋼中，針狀馬氏體一般都很細，在光學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為主，用電鏡測定位錯密度為0.3x1012/c㎡~0.9x102/c㎡;晶體內(nèi)大都是密度很高的位錯線。所以，習慣上稱板條狀馬氏體叫位錯馬氏體。
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)有細的李晶存在，在針狀馬氏體內(nèi)也有高密度的位錯。
③. 馬氏體的強韌性
關(guān)于馬氏體的強韌性及其影響因素等問題，是許多學者關(guān)注和著力研究的課題。這是一個復(fù)雜的問題，要完整地說明其本質(zhì)和區(qū)分各種因素的作用仍然是困難的，而且各學派還存在一些不同的觀點。
a. 馬氏體的強度
較早期的一些研究認為：碳及合金元素的固溶作用是強化馬氏體的原因。特別是馬氏體的硬度和強度的提高與碳含量的增加成正比。似乎說明碳的固溶強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，造成強硬化效應(yīng)。近期的一些研究結(jié)果表明，馬氏體強度隨碳含量增加而提高是因為碳提高馬氏體相變時的位錯密度的結(jié)果。位錯密度越高，金屬抵抗塑性變形的能力就越大。
馬氏體的強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小，則轉(zhuǎn)變成的馬氏體領(lǐng)域及馬氏體片也細小，更多的界面阻礙了晶粒受力時滑移帶的運動。還有的解釋說原始奧氏體晶粒小，在馬氏體相變時，會提高位錯密度而使馬氏體強度增加。
綜上觀點，可總結(jié)為：淬火馬氏體的高強度是碳和合金元素固溶強化、馬氏體條片周界及馬氏體內(nèi)位錯密度的綜合貢獻結(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。
有試驗證明，在相同的屈服強度下，位錯型馬氏體的斷裂韌性比孿晶馬氏體高得多。在相同的強度條件下，條狀馬氏體的斷裂制性遠遠高于針狀馬氏體，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)進一步研究和分析認為，馬氏體中的位錯亞結(jié)構(gòu)可動性較孿晶大，由于位錯的運動能緩和局部地區(qū)的應(yīng)力集中，延緩裂紋形核，即使存有微裂紋，也會削減裂紋尖的應(yīng)力峰值。這當然對馬氏體的韌性有利。還有的認為，板條狀馬氏體在原奧氏體晶粒內(nèi)部排列成束狀，說明產(chǎn)生馬民體相變時，晶體間不發(fā)生相互撞擊作用，所以不會產(chǎn)生顯微裂紋。而孿昌馬氏體形態(tài)呈片狀，馬氏體相變時，片與片之間的撞擊作用會促進顯微裂紋的產(chǎn)生。
在探討馬氏體強韌性問題時，應(yīng)指出：馬氏體的強韌性不應(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)。
通過對奧氏體向馬氏體轉(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，由奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變過程中與碳鋼相比，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，在冷卻過程中不易發(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)定化的另一個影響是，馬氏體不銹鋼淬火后，會存在未進行轉(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，特別是當碳含量較高時，碳化物會保留在淬火組織中，可明顯提高材料的硬度和耐磨性能。
