奥氏体的形成机制及应用领域分析

首先以共析钢为例来讨论奥氏体的转变过程。共析钢室温时的平衡组织为珠光体，即由基体相铁素体（碳含量极少的体心立方晶格）和分散相渗碳体（碳含量很高的复杂斜方晶格）组成的两相混合物。珠光体的平均碳含量为ωC＝0.77%。当加热至Ac1以上温度并保温一定时间，珠光体将全部转变为奥氏体。即

奥氏体的形成过程一般分为4个阶段：奥氏体形核，奥氏体晶核长大，残留渗碳体溶解，奥氏体成分均匀化，如图5.3所示。

图5.3　共析钢奥氏体形成过程示意图

（a）奥氏体形核；（b）奥氏体晶核长大；（c）残留渗碳体溶解；（d）奥氏体成分均匀化

1.奥氏体形核

观察表明，奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成。奥氏体的形核和液态结晶形核一样，需要一定的结构、能量和浓度起伏。而铁素体和渗碳体的相界面上碳浓度分布不均匀，位错密度较高、原子排列不规则，晶格畸变大，处于能量较高的状态，因此为奥氏体形核提供了能量和结构两方面的有利条件。另外，相界面处碳浓度处于铁素体和渗碳体的过渡之间，容易形成较大的浓度起伏，使相界面某一微区能够达到形成奥氏体晶核所需的碳含量。所以，奥氏体形核优先在相界面上形成。(www.xing528.com)

2.奥氏体晶核长大

奥氏体形核后便开始长大。奥氏体晶核的一面与渗碳体相邻，另一面与铁素体相邻，设奥氏体与铁素体相邻的边界处的碳浓度为Cγ-α，奥氏体与渗碳体相邻的边界处的碳浓度为Cγ-c。此时，两个边界处于界面平衡状态，这是系统自由能最低的状态。由于Cγ-c＞Cγ-α，因此，在奥氏体中出现碳的浓度梯度，并引起碳在奥氏体中不断地由高浓度向低浓度扩散。扩散的结果使奥氏体与铁素体相邻边界处的碳浓度升高，而与渗碳体相邻边界处的碳浓度降低，从而破坏了相界面的平衡，使系统自由能升高。为了恢复平衡，渗碳体必须溶入奥氏体，使它们相邻界面的碳浓度恢复到Cγ-c。与此同时，铁素体转变为奥氏体，使它们之间的界面恢复到Cγ-α，从而恢复相界面的平衡，降低系统的自由能。这样，奥氏体的两个相界面就向铁素体和渗碳体两个方向推移，使奥氏体晶核长大。由于奥氏体中碳的扩散不断打破相界面的平衡，又通过渗碳体和铁素体向奥氏体转变而恢复平衡，该过程循环往复地进行，奥氏体便不断地向铁素体和渗碳体中扩展，从而促进奥氏体晶核长大。

可见，在Ac1以上某温度，共析钢奥氏体晶核的长大是依靠铁、碳原子的扩散使铁素体不断向奥氏体转变，渗碳体不断溶入奥氏体中进行的。

3.残留渗碳体溶解

由于渗碳体的晶体结构和碳的质量分数与奥氏体差别较大，因此，渗碳体向奥氏体中溶解的速度必然落后于铁素体向奥氏体的转变速度。在铁素体全部转变完后，仍会有部分渗碳体尚未溶解，因而还需要一段时间继续向奥氏体中溶解，直至全部渗碳体溶解完。

4.奥氏体成分均匀化

当残留渗碳体全部溶解完时，奥氏体的成分是不均匀的。原渗碳体存在的地方比铁素体存在的地方碳含量要高，只有继续延长保温时间，让碳原子充分扩散，才能获得均匀化的奥氏体。

亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程同共析钢基本相同。当加热温度刚刚超过Ac1温度时，只能使原始组织中的珠光体部分转变为奥氏体，但仍保留一部分先共析铁素体或先共析渗碳体，这种奥氏体化的过程被称作“部分奥氏体化”或“不完全奥氏体化”。只有将温度加热到Ac3或Accm以上并保温足够时间，才能获得均匀的单相奥氏体，这种奥氏体化的过程常称作“完全奥氏体化”。