奥氏体的形成过程及注意事项——钢的热处理

钢受热时发生转变

钢的热处理一般要求将钢加热到临界温度以上，获得奥氏体组织，然后以适当的方式（或速度）冷却，以获得所要求的组织和性能。加热钢以获得奥氏体的转变过程通常称为奥氏体化过程。

1. 转变温度

在Fe-Fe3C相图中，共析钢在加热和冷却过程中通过PSK线（A1）时，发生珠光体和奥氏体的相互转变。亚共析钢通过GS线（A3）时，发生铁素体和奥氏体的相互转变。过共析钢通过ES线（Acm）时，发生渗碳体和奥氏体的相互转变。A1、A3、Acm是钢在平衡条件下的临界点。在实际热处理生产过程中，加热和冷却不可能极其缓慢，因此上述转变往往会产生不同程度的滞后现象。实际转变温度与平衡临界温度之间的差值称为过热（加热时）或过冷（冷却时）。过热或过冷随加热或冷却速度的增加而增大。 通常将加热时的临界温度用下标“c”标记，如Ac1、Ac3、Accm，将冷却时的临界温度用下标“r”标记，如Ar1、Ar3、Arcm，如图5.1所示。

奥氏体的形成

以共析钢为例说明奥氏体的形成过程。在室温下，共析钢的平衡组织为单一的珠光体，珠光体是由含碳极少的体心立方晶格的铁素体与含碳量较高的复杂正交晶格的渗碳体组成的两相混合物，其中铁素体为基体相，渗碳体为弥散相。珠光体的平均含碳量为0.77%。当加热到Ac1以上温度并保温时，珠光体将全部转变为奥氏体。但铁素体、渗碳体和奥氏体的含碳量和晶体结构有很大差异。因此，奥氏体的形成过程包括碳的扩散、重新分布和铁素体向奥氏体的晶格重组，同时也是形核、长大和均质化的过程，如图5.2所示。

1. 奥氏体的形核

奥氏体形核通常优先形成在铁素体与渗碳体的界面处。这是因为界面上碳浓度分布不均匀，位错密度高，原子排列不规则，晶格畸变大，且处于高能量状态，可以为奥氏体形核的产生提供浓度和结构上的有利条件。奥氏体形核和液晶形核一样，需要一定的结构波动、能量波动和浓度波动。在铁素体与渗碳体的相界处，原子排列不规则，处于高能不稳定状态，具有形核所需的结构波动和能量波动。同时，相界面处碳浓度介于铁素体与渗碳体的过渡之间，容易出现奥氏体形核所需的浓度波动。因此，奥氏体形核优先形成在相界面处。

2. 奥氏体形核的长大

奥氏体形核后，开始长大。奥氏体形核在AC1以上温度t1时形成。奥氏体形核形成后，一边与渗碳体相邻，一边与铁素体相邻。假定与铁素体和渗碳体相邻的界面是直的，根据Fe-Fe3C相图，与奥氏体和铁素体相邻的边界处的碳浓度为Cγ-α，与奥氏体和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，这是体系自由能最低的状态。由于Cγ-C＞Cγ-α，奥氏体中出现碳浓度梯度，使碳在奥氏体中不断从高浓度向低浓度扩散。扩散的结果是，与奥氏体和铁素体相邻的边界处的碳浓度增加，而与渗碳体相邻的边界处的碳浓度降低。 这就破坏了相界面的平衡，增加了体系的自由能。为了恢复平衡，渗碳体必然要溶解到奥氏体中，使它们相邻界面的碳浓度回到Cγ-C。同时，在另一界面上，奥氏体碳原子扩散到铁素体中，促使铁素体转变为奥氏体，使它们之间的界面回到Cγ-α，从而恢复界面的平衡，降低体系的自由能。这样，奥氏体的两个界面就向铁素体和渗碳体两个方向移动，奥氏体长大。由于碳在奥氏体中的扩散，相界面平衡不断被打破，通过渗碳体、铁素体向奥氏体的转变来恢复平衡的过程不断重复，奥氏体不断扩大为铁素体和渗碳体并逐渐长大。 另一方面，由于铁素体中，铁素体与渗碳体、铁素体与奥氏体两个界面之间也存在碳浓度差CF-C-CF-γ，因此碳在奥氏体中扩散的同时，也在铁素体中扩散。扩散的结果促使铁素体相变成奥氏体，从而促进奥氏体的生长。

3. 残留渗碳体的溶解

铁素体与渗碳体、奥氏体相比，由于铁素体的碳浓度和晶体结构与奥氏体相似，所以铁素体先于渗碳体消失。因此，奥氏体形成后，仍有未溶解的渗碳体，随着保温时间的增加，未溶解的渗碳体会继续溶解，直至完全消失。

4. 奥氏体成分的均匀化

当残余渗碳体全部溶解后，原渗碳体中的碳含量已高于原铁素体中的碳含量，因此需要继续延长保温时间，让碳原子充分扩散，才能使奥氏体各处碳含量均匀一致。

3、影响奥氏体转变速度的因素

奥氏体的形成是通过形核和长大的过程进行的，整个过程受原子扩散控制。因此，影响扩散、形核和长大的一切因素都会影响奥氏体的形成速度。主要因素包括加热温度、原始组织和化学成分。

1.加热温度的影响

加热温度越高，奥氏体形成越快。这是因为，当加热温度较高（即过热度较大）时，奥氏体的形核速度和长大速度很快，原子的扩散能力也增强，促进了渗碳体​​的溶解和铁素体的转变。

加热温度必须高于AC1点，珠光体才能转变为奥氏体，转变需要一段时间才能开始，温度越高，孕育期越短。

转变温度越高，奥氏体形成越快，转变所需时间越短。这是由两方面原因造成的，一方面，温度越高，奥氏体与珠光体之间的自由能差越大，转变的驱动力越大。另一方面，温度越高，原子扩散越快，因而碳的重新分布和铁晶格的变化也越快，所以奥氏体的形核、长大、残余渗碳体的溶解、均匀化都较快。可见，在较低温度下加热较长时间，也可以在较高温度下加热较短时间，从而得到相同的奥氏体化状态。因此，在制定加热工艺时，应充分考虑温度和时间的影响。

2. 升温速度的影响

连续加热时，加热速度对奥氏体化过程有重要影响，加热速度越快，珠光体的过热度越大，转变开始温度AC1越高，终止温度也越高，但转变孕育期越短，转变完成所需的时间也越短。

3.化学成分的影响

一方面，钢中碳含量越高，奥氏体形成越快。这是因为随着碳含量的增加，渗碳体的数量也相应增多，铁素体与渗碳体界面的面积增大，从而增加了奥氏体形核的部位，提高了奥氏体的形核速度。同时，碳化物数量的增多，减少了碳的扩散距离，随着奥氏体中碳含量的增加，碳与铁原子的扩散系数将增大，从而加快奥氏体的生长速度。另一方面，钢中添加合金元素，并不改变珠光体转变为奥氏体的基本过程。但合金元素对奥氏体化过程的速度有重要的影响，一般使之减慢。

合金元素影响的原因如下：

（1）合金元素会改变钢的平衡临界点：镍、锰、铜等会使临界点降低，而铬、钨、钒、硅等会使临界点升高。因此，在相同温度下奥氏体化时，合金元素与碳钢相比改变了过热度，从而改变了奥氏体与珠光体之间的自由能差，对奥氏体的形核和长大有重要影响。

（2）珠光体中合金元素分布不均匀：能形成碳化物的元素，如铬、钼、钨、钒、钛等，主要存在于共析碳化物中，而不形成碳化物的元素，如镍、硅、铝等，则主要存在于共析铁素体中。因此，合金钢奥氏体化时，除碳的扩散和再分布外，还必须进行合金元素的扩散和再分布。但合金元素的扩散速度比碳原子的扩散速度慢得多，所以合金奥氏体的均匀化速度要慢得多。

（3）某些合金元素会影响碳和铁的扩散速度：例如铬、钼、钨、钒、钛等会明显减缓碳的扩散，而钴、镍等会加速碳的扩散，硅、铝、锰等影响不大。

（4）极易形成碳化物的元素：如钛、钒、锆、铌、钼、钨等，会形成特殊的碳化物，这种碳化物比渗碳体稳定，不易溶解于奥氏体中，必须加热至较高温度、较长时间才能完全溶解。总之，合金钢的奥氏体化速度一般比碳钢慢，特别是高合金钢。

4.原组织的影响

在相同化学成分下，随着原始组织中碳化物弥散度的增加，不仅铁素体与渗碳体界面数量增多，使奥氏体的形核速度增大，而且由于珠光体片层间距减小，使奥氏体中碳浓度梯度增大，这些因素均使奥氏体的长大速度增大。因此，钢的原始组织越细，奥氏体形成越快。

4 奥氏体晶粒尺寸及其影响因素

奥氏体的晶粒尺寸对钢的冷却转变及转变产物的组织和性能有重要的影响，同时也影响工艺性能。例如，淬火细化奥氏体晶粒所获得的马氏体组织也是细小的，不仅可以提高钢的强度和韧性，而且可以降低淬火变形和开裂的倾向。目前，晶粒细化已成为强化金属材料的重要方法。根据奥氏体的形成过程和长大趋势，可用初始晶粒尺寸、实际晶粒尺寸和本征晶粒尺寸来描述奥氏体的晶粒尺寸。

1. 初始晶粒尺寸

钢在加热时，珠光体刚刚转变为奥氏体时，奥氏体晶粒尺寸称为初始晶粒尺寸，此时晶粒一般较小，若温度升高或时间延长，晶粒就会长大。

2. 实际晶粒尺寸

奥氏体初始晶粒形成后，若温度继续升高或保温在临界点以上，晶粒就会自动长大。这是因为晶粒越细，晶界面积越大，总界面能也越大。因此，细晶粒状态的自由能高于粗晶粒状态的自由能，晶粒长大可以降低自由能，所以晶粒总是会自发长大。显然，晶粒长大的驱动力是界面能的降低，而晶粒长大的阻力则来自于第二相的阻碍等作用。晶粒长大是通过原子扩散和晶界移动，大晶粒吞噬小晶粒而进行的。温度越高，时间越长，晶粒长大越大。在每一特定的加热条件下所获得的奥氏体晶粒尺寸称为奥氏体的“实际晶粒尺寸”。即实际晶粒尺寸是在特定的加热条件下加热时所获得的奥氏体的实际晶粒尺寸。它直接影响钢冷却后的性能。

3. 固有晶粒尺寸

生产中发现，有些钢的奥氏体晶粒在加热时容易长大，而有些钢的晶粒不易长大，这表明不同钢的晶粒长大趋势不同。固有晶粒大小是钢在加热时奥氏体晶粒长大趋势的指标。凡奥氏体晶粒容易长大的钢都称为“固有粗晶粒钢”，反之，奥氏体晶粒长大困难的钢称为“固有细晶粒钢”。随着加热温度的升高，固有粗晶粒钢的奥氏体晶粒不断长大，并逐渐粗化。固有细晶粒钢则不是这样。在低于某一温度加热时，奥氏体晶粒长大很慢，始终保持小晶粒。但超过某一温度后，晶粒长大迅速，并突然粗化。晶粒开始强烈长大的温度称为“晶粒粗化温度”。 本质细晶粒钢只有在加热到晶粒粗化温度以下时，晶粒才不易长大，超过此温度后，它与本质粗晶粒钢就没有什么区别了。

固有晶粒大小是按照冶金部标准YB27-77《钢的晶粒大小测定法》的规定来确定的，即将钢在（930±10℃）温度下冷却3h～8h后测得的奥氏体晶粒大小称为固有晶粒大小。通常在放大100倍的条件下与标准晶粒大小等级表（见图5.3）进行比较评定。晶粒大小1～4定义为固有粗晶粒钢，5～8定义为固有细晶粒钢。钢的固有晶粒大小由钢的成分和冶炼条件决定。一般来说，能用铝脱氧的钢为固有细晶粒钢，用硅或锰代替铝脱氧的钢为固有粗晶粒钢。 含有钛、锆、钒、铌、钼、钨等合金元素的钢也属于本征细晶粒钢。这是因为铝、钛、锆等元素在钢中会形成分布在晶界上的超细化合物粒子，如AlN、Al2O3、TiC、ZrC等。它们很稳定，不易团聚；不易溶解，能阻碍晶粒长大。但当温度超过晶粒粗化温度时，由于这些化合物的聚集长大，或溶解消失，奥氏体晶粒就会因失去阻碍晶界迁移的作用而突然长大。在本征粗晶粒钢中，不存在这样的化合物粒子，晶粒长大不受阻碍，因此随温度升高而逐渐粗化。钢的本征晶粒尺寸在热处理生产中具有重要意义。 因为有些热处理工艺，如渗碳、渗金属等，必须经过长时间高温加热才能实现。此时，如果采用本征细晶粒钢，可以防止工件心部和表面过热，渗碳后可直接进行淬火。如果采用本征粗晶粒钢，则会严重过热。另外，本征细晶粒钢焊接时，焊缝热影响区的过热程度比本征粗晶粒钢轻得多。

奥氏体晶粒长大基本上是奥氏体晶界迁移的过程，其实质是晶界附近原子的扩散过程。因此，凡是影响原子扩散和迁移的因素，都能影响奥氏体晶粒长大。首先，奥氏体形成后，随着加热温度升高、保温时间增加，晶粒迅速长大；其次，加热速度越大，奥氏体转变时的过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，奥氏体的形核速度越高，初始晶粒越细小；第三，在钢中一定碳含量范围内，随着碳含量的增加，奥氏体晶粒长大的趋势增大，但当碳含量超过一定限度时，奥氏体晶粒变小。这是因为随着碳含量的增加，钢中碳的扩散速度和铁的自扩散速度都增大，从而加速了奥氏体晶粒长大的趋势。但当碳含量超过一定限度时，钢中就会出现二次渗碳体。 随着碳含量的增加，二次渗碳体数量增多，渗碳体能阻碍奥氏体晶界的运动，因此奥氏体晶粒变小。第四，在钢中加入适量的能形成难熔化合物的合金元素，如Ti、Zr、V、Al、Nb、Ta等，能强烈地阻碍奥氏体晶粒的长大，提高奥氏体晶粒粗化温度，因为这些元素是强的碳、氮化合物形成元素，在钢中能形成熔点高、稳定性强、弥散性好的碳化物或氮化物，阻碍晶粒长大。