共析钢奥氏体的形成过程简介

珠光体向奥氏体转变的驱动力为自由能差，通过扩散完成。共析钢的奥氏体与珠光体的自由能相等的温度是A1点（727℃），根据固态相变热力学条件，必须加热到A1点以上，即要有一定的过热度（ΔT），奥氏体才会自发地形成。根据Fe-Fe3C平衡状态图，由铁素体和渗碳体两相组成的珠光体加热到Ac1稍上温度时将转变为单相奥氏体，即

由于奥氏体与铁素体及渗碳体的碳含量和点阵结构相差很大，因此，奥氏体的形成是一个由α到γ的点阵重构、渗碳体的溶解及碳在奥氏体中的扩散重新分布的过程。

1.奥氏体形核

奥氏体的形成符合一般的固态相变规律，是通过形核和长大完成的。根据扩散理论，奥氏体的晶核是依靠系统内的能量起伏、浓度起伏和结构起伏形成的。

从图13-4中的GS线可知，奥氏体中与铁素体相平衡的碳含量随温度升高而下降。铁素体中的最大碳含量为0.02%（在A1温度），而为使铁素体转变为奥氏体，铁素体的最低碳含量必须是：727℃为0.77%、740℃为0.66%、780℃为0.40%、800℃为0.32%，等等，均远远高于铁素体中的最大碳含量。实际上，在微观体积内由于碳原子的热运动而存在着浓度起伏。所以，在平均碳浓度很低的铁素体中，存在着高碳微区，其碳浓度可能达到该温度下奥氏体能够稳定存在的成分（由GS线决定）。如果这些高碳微区因结构起伏和能量起伏而具有面心立方点阵结构和足够高的能量时，就有可能转变成该温度下稳定存在的奥氏体临界晶核。但是，这些晶核要保持下来并进一步长大，必须要有碳原子持续不断地供应。

奥氏体晶核的形核位置通常在铁素体和渗碳体的两相界面上。这是因为：①在两相界面处，碳原子的浓度差较大，有利于获得形成奥氏体晶核所需的碳浓度；②在两相界面处，原子排列不规则，铁原子有可能通过短程扩散由母相点阵向新相点阵转移，从而促使奥氏体形核，即形核所需的结构起伏较小；③在两相界面处，杂质及其他晶体缺陷较多，具有较高的畸变能，新相形核时可能消除部分晶体缺陷而使系统的自由能降低。并且新相形核时产生的应变能也较容易借助相界（晶界）流变而释放。

珠光体团边界与铁素体和渗碳体的相界面一样，也是奥氏体的形核部位。此外，在快速加热时，由于过热度大，奥氏体临界晶核尺寸减小，且相变所需的浓度起伏也减小，因此新相奥氏体也可在铁素体内的亚晶界上形核。

2.奥氏体晶核长大

当奥氏体在铁素体和渗碳体两相界面上形核后，便形成了γ/α和γ/Fe3C两个新的相界面。奥氏体的长大过程即为这两个相界面向原来的铁素体和渗碳体中推移的过程。假定奥氏体与渗碳体及铁素体的相界面是平直的，则奥氏体在Ac1以上T1温度形核时，相界面处各相中的碳浓度可由Fe-Fe3C状态图来确定，如图13-5（a）所示。可见，在相界面处，与奥氏体相接触的铁素体碳浓度为Cα/γ（下标符号中，前者表示该相（如α），后者表示与之相接触的相（如γ），后同），与渗碳体相接触的铁素体碳浓度为Cα/cem（沿QP延长线变化），与铁素体相接触的奥氏体碳浓度为Cγ/α，与渗碳体相接触的奥氏体碳浓度为Cγ/cem，与奥氏体相接触的渗碳体碳浓度为Ccem/γ（恒定不变，即6.69%）。

图13-5　共析钢奥氏体晶核长大示意图(www.xing528.com)

（a）T1温度下各相中的碳的浓度；（b）相界面推移示意图

若垂直于相界面截取一纵截面，则沿纵截面各相中的碳浓度分布如图13-5（b）所示。可见，由于新相奥氏体两个相界面（γ/α和γ/cem）的碳浓度不等（Cγ/cem>Cγ/α），在奥氏体中就形成一个浓度差（Cγ/cem-Cγ/α），使C原子从高浓度的γ/cem相界面处向低浓度的γ/α相界面处扩散，结果破坏了在该温度（T1）下相界面的平衡浓度，同时奥氏体中碳的浓度梯度趋于减小，如图中C'γ/cem-C'γ/α虚线所示。为了维持原来相界面处的局部碳浓度平衡，在γ/cem相界面处的渗碳体必须溶入奥氏体以供应碳量，使其碳浓度恢复至Cγ/cem。同时，在γ/α相界面处的铁素体必须转变为奥氏体，使其碳浓度降至Cγ/α。这样，奥氏体的两个相界面便自然地同时向渗碳体和铁素体中推移，使奥氏体不断长大。

与此同时，在铁素体中也进行着碳的扩散。如图13-5（b）所示，在铁素体、奥氏体和渗碳体三相共存时，在铁素体中也存在着碳浓度差（Cα/cem-Cα/γ），也会引起碳从α/Fe3C相界面处向α/γ相界面处扩散，这种扩散也促进奥氏体的长大。

综上，奥氏体中的碳浓度差是奥氏体在铁素体和渗碳体相界面上形核的必然结果，它是相界面推移的驱动力，相界面推移的结果是Fe3C不断溶解，α相逐渐转变为γ相。

3.剩余碳化物溶解

在奥氏体晶体长大过程中，由于γ/cem相界面处的碳浓度差（Ccem∕γ-Cγ/cem）远远大于γ/α相界面处的碳浓度差（Cγ/α-Cα/γ），所以只需溶解一小部分渗碳体就可以使其相界面处的奥氏体达到饱和，而必须溶解大量的铁素体才能使其相界面处奥氏体的碳浓度趋于平衡。所以，长大中的奥氏体溶解铁素体的速度始终大于溶解渗碳体的速度（见后述），故在共析钢中总是铁素体先消失，有剩余渗碳体残留下来。

关于渗碳体溶入奥氏体中的机制，一般认为是通过Fe3C中的碳原子向γ中扩散和铁原子向贫碳Fe3C扩散及Fe3C向γ晶体点阵改组来完成的。

4.奥氏体均匀化

在铁素体全部转变为奥氏体，且残留Fe3C全部溶解之后，碳在奥氏体中的分布仍然是不均匀的。原来为渗碳体的区域碳浓度较高，而原来为铁素体的区域碳浓度较低。而且，这种碳浓度的不均匀性随加热速度增大而愈加严重。因此，只有继续加热或保温，借助于碳原子的扩散，才能使整个奥氏体中碳的分布趋于均匀。

综上，奥氏体的形成过程可以分为4个阶段（见图13-6）：①奥氏体形核；②奥氏体晶核向α及Fe3C两个方向长大；③剩余碳化物溶解；④奥氏体均匀化。

图13-6　奥氏体形成的4个阶段