奥氏体的形成

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<CA-Fe3C(A晶
核中与Fe3C交界处C含量)，碳原子向F一侧扩散，就改
变了A中各个界面的浓度，破坏了平衡状态，为了恢复
平衡，低碳的F将转变为A，而使界面处碳含量仍然恢复
到CA-F，同时Fe3C中的碳也溶入A，也使界面浓度增高
到CA-Fe3C，有利于A的长大。

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（<CA-Fe3C）。

为了恢复原先碳浓度的平衡，
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-A<CF-Fe3C(F中与
Fe3C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。