奥氏体的形成

根据相图，加热时首先珠光体转变为奥氏体，然后是先共析相铁素体与渗碳体溶入奥氏体，相变驱动力是奥氏体与珠光体的自由能差。

一、奥氏体形成的热力学条件：

奥氏体形成的热力学条件：

体系总自由能：△G=－△Gv＋△Gs＋△Ge<0 相变驱动力：Gv=△Gγ－△Gp

式中：△Gγ为相变驱动力，即奥氏体与珠 光体的自由能差，Gγ为奥氏体自由能，Gp为珠 光体自由能。发生转变时：t>A1(727℃)，A1即 奥氏体转变临界点。实际转变温度与临界点A1之 差称为过热度，过热度越大，驱动力也越大，转 变也越快。

△GV>0，△T<0，γ→P△GV=0，△T>0，P、γ平衡；

△GV<0，△T>0，P→γ满足条件。

因此，奥氏体形成的热力学条件是：必须在一定的过热度条件下才能发生。过热度越大，驱动力也越 大，转变也越快。

二、共析钢奥氏体的形成（珠光体类组织转变为奥氏体）：

共析钢的原始组织为片状珠光体。当加热到Ac1以上保温时，将全部转变为奥氏体。此转变过程由下 式表示：

珠光体P(F+Fe3C)→奥氏体A；

含碳量：0.0218%6.69%0.77%

结构：体心立方（复杂斜方）正交晶格面心立方

这一过程由Fe的晶格改组和Fe、C原子的扩散，它包括以下四个阶段： 1、奥氏体核的形成；

2、奥氏体核的长大；

3、剩余渗碳体溶解；

4、奥氏体成分均匀化。

（一）、奥氏体形核的形成：

1、形核位置：

（1）、F/Fe3C界面；奥氏体晶核优先在铁素体与渗碳体相界面处通过扩散机制形成；

（2）、珠光体团交界处；

（3）、先共析铁素体/珠光体团交界处。

2、在上述位置优先在铁素体与渗碳体相界面处形核，这是由于满足三个起伏：

（1）、界面上存在浓度结构起伏；相界面处存在碳的浓度起伏；容易满足形成奥氏体所需的碳浓度。相界面处存在结构起伏；

（2）、界面存在缺陷，能量高，提供能量起伏；此处原子排列紊乱，位错、空位浓度较高，容易满足形成奥氏体所需的能量；

（3）、有渗碳体溶解后的碳原子补充。

3、有时在铁素体内部也能形核，只要满足：

（1）、温度高，提供足够的相变驱动力；

（2）、有嵌镶块，提供足够的浓度条件和晶核尺寸。

4、奥氏体形核(在加热不快，温度不高的条件下)：有铁原子和碳原子扩散机制。

（二）、奥氏体核的长大：

奥氏体晶核形成之后，长大便开始了。其奥氏体核的长大是依靠碳原子的扩散、奥氏体两侧界面向

铁素体及渗碳体推移来进行的。长大过程是通过Fe3C向γ中溶解、依靠C原子在γ和α中的扩散、α→γ的

晶格改组、γ两侧界面（α/γ界面和Fe3C/γ界面）分别向α和Fe3C中推移等过程来进行的。因此，奥氏 体长大是C原子扩散控制的。

1、碳原子在奥氏体中的扩散：

由图2-8中所示，设在温度t1，在F与Fe3C交界面形 成A核。由于A晶核中与F交界处C含量CA-F图2-8奥氏体核的长大

CA：奥氏体的碳浓度，0.77%；

CA-F：奥氏体中靠近铁素体一侧含碳量（GS线）；

CA-Fe3C：奥氏体中靠近渗碳体一侧含碳量（ES线）；

CF-A：铁素体中靠近奥氏体一侧含碳量（GP线）；

CF-Fe3C：铁素体中靠近渗碳体一侧含碳量（QP的延长线）；

Fe3C：渗碳体的碳浓度，6.69%。

奥氏体长大机制：奥氏体晶核形成之后，它一面与渗碳体相接，另一面与铁素体接。在奥氏体中靠

近铁素体一侧含碳量（CA-F）较低，而靠近渗碳体一侧含碳量（CA-Fe3C）较高,由于CA-Fe3C>CA-F，这使

得在奥氏体中出现了碳的浓度梯度，引起碳在奥氏体中由高浓度的Fe3C/γ相界面向低浓度的α/γ相界面扩

散。随着碳在奥氏体中的扩散，破坏了原先相界面处碳浓度的平衡，即造成靠近铁素体一侧奥氏体的碳

浓度增高（>CA-F），靠近渗碳体一侧奥氏体的碳浓度降低（势必促使铁素体向奥氏体转变以及渗碳体的溶解。这样，奥氏体中与铁素体和渗碳体相界面处碳平衡浓度

的破坏与恢复的反复循环过程，就使奥氏体逐渐向铁素体和渗碳体两方向长大，直至铁素体全部转变为奥 氏体为止(图2-8)。

2、碳原子在铁素体内部的扩散：

碳在奥氏体中的扩散的同时，在奥氏体中出现了碳的浓度梯度（CA-Fe3C－CA-F），碳在铁素体中也

进行扩散,促使奥氏体长大。由于F中与A交界的界面浓度CF-AFe3C交界的界面浓度），碳

原子向A一侧扩散，使F中碳浓度升高，有利于向奥氏体的转化。

（三）、剩余渗碳体溶解：

铁素体消失以后，仍有部分渗碳体尚未溶解，这部分渗碳体称为剩余渗碳体。

1、实验现象：

（1）、F消失时，组织中的Fe3C还未完全转变；

（2）、测定后发现A中含碳量低于共析成分0.77%。 2、原因：

Fe-Fe3C相图上ES线斜度大于GS线(见图2-8)，S点不在CA-F与CA-Fe3C中点，而稍偏右。所以A中平均

碳浓度，即(CA-F+CA-Fe3C)/2低于S点成分。当F全部转变为A后，多余的碳即以Fe3C形式存在。

通过随着保温时间延长或继续升温，剩余渗碳体通过碳原子的扩散，不断溶入奥氏体中，使奥氏体的碳浓度逐渐接近共析成分。这一阶段一直进行到渗碳体全部消失为止。

（四）、奥氏体成分均匀化：

当剩余渗碳体全部溶解后，奥氏体中的碳浓度仍是不均匀的，原来存在渗碳体的区域碳浓度较高，而原来存在铁素体的区域碳浓度较低，只有继续延长保温时间，使碳原子充分扩散才能得到成分均匀的单相奥氏体。

共析碳钢的奥氏体等温形成是通过碳、铁原子的扩散，通过形核—长大—碳化物溶解—奥氏体均匀化四个步骤实现的。

三、非共析钢奥氏体的形成：

非共析钢和共析钢奥氏体形成基本相同，也经历上述四个过程。但加热温度仅超过Ac1时，只能使原

始组织中的P转变为奥氏体，仍保留一部分先共析α和先共析Fe3C，只有当加热温度超过Ac3或Accm时并保

温足够时间，原始组织才能全部转变为均匀的单相奥氏体。即： 亚共析钢：α＋P→α＋γ→γ；

过共析钢：Fe3C＋P→α＋γ→γ。