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。
奥氏体（Austenite）是钢铁的一种层片状的显微组织，[1]通常是?-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体，也称为沃斯田铁或?-Fe。奥氏体的名称是来自英国的冶金学家罗伯茨·奥斯汀（William Chandler Roberts-Austen）。 奥氏体塑性很好，强度较低，具有一定韧性，不具有铁磁性。奥氏体因为是面心立方，四面体间隙较大，可以容纳更多的碳。[2] 组成成分 编辑 奥氏体一般由等轴状的多边形晶粒组成，晶粒内有孪晶。在加热转变刚刚结束时的奥氏体晶粒比较细小，晶粒边界呈不规则的弧形。经过一段时间加热或保温，晶粒将长大，晶粒边界可趋向平直化。铁碳相图中奥氏体是高温相，存在于临界点A1温度以上，是珠光体逆共析转变而成。当钢中加入足够多的扩大奥氏体相区的化学元素时，Ni、Mn等，则可使奥氏体稳定在室温，如奥氏体钢。[2] 晶体结构 编辑 奥氏体为面心立方结构，碳氮等间隙原子均位于奥氏体晶胞八面体间隙中心，及面心立方晶胞的中心和棱边的中点。假如每一个八面体的中心各容纳一个碳原子，则碳的最大溶解度应为50%（摩尔分数），相当于质量分数约20%。实际上碳在奥氏体中的最大溶解度为 2.11%（质量分数），这是由于?-Fe的八面体间隙的半径仅为0.052nm，比碳原子的半径 0.086nm小。碳原子溶入将使八面体发生较大的膨胀，产生畸变，溶入越多，畸变越大， 晶格将不稳定，因此不是所有的八面体间隙中心都能溶入一个碳原子，溶解度是有限的。碳原子溶入奥氏体中，使奥氏体晶格点阵发生均匀对等的膨胀，点阵常数随着碳含量的增加而增大。大多数合金元素如Mn.Cr.Ni.Co.Si等，在?-Fe中取代Fe原子的位置而形成置换固溶体。替换原子在奥氏体中的溶解度各不相同，有的可无限溶解，有的溶解度甚微。少数元素，如硼仅存在于浸提缺陷处，如晶界、位错等。[3] 主要性能
影响奥氏体形成因素 奥氏体的形成是通过形核与长大过程进行的，整个过程受原子扩散所控制。因此凡是影响扩散、影响形核与长大的一切因素，都会影响奥氏体的形成速度。链轮高频淬火就是形成奥氏体然后淬火马氏体，最后形成回火马氏体的一个过程，所以研究奥氏体的形成因素，对高频淬火及后续的检验分析淬火马氏体（出现铁素体的量的多少）的等级有本质的关系。 一加热温度和保温时间 上图描述了珠光体向奥氏体的转变过程，将共析钢试样迅速加热到Ac1以上各个不同温度保温，记录各个温度下珠光体向奥氏体转变开始、铁素体消失、渗碳体全部溶解和奥氏体成分均匀化所需要的时间，绘制转变温度和时间坐标如图。 分析图，在Ac1以上某一温度保温时，奥氏体并不立即出现，而是保温一段时间后才开始形成，这段时间称为孕育期。这是由于形成奥氏体晶核需要原子的扩散，而扩散需要一定
的时间。随着加热温度的提高，原子扩散速率急剧加快，相变驱动力ΔGv迅速增加以及奥氏体中碳的浓度梯度显著增大，使奥氏体的形核率和长大速度大大增加，故转变的孕育期和转变完成所需要时间也显著缩短，即奥氏体的形成速度越快。在影响奥氏体形成速度的诸多因素中，温度的作用最为显著。因此，控制奥氏体的形成温度至关重要。在较低的温度（在Ac1线上某一温度）长时间加热和较高温度下短时间加热都可以得到相同的奥氏体状态。 在生产中，连续加热过程中，奥氏体等温转变的基本规律不变。 如图，在不同的加热速度（v1、v2），可以观察出连续加热条件下奥氏体形成的基本规律。加热速度越快，孕育期越短，奥氏体开始转变的温度和转变的终了温度越高，转变终了所需要的时间越短。加热速度越慢，转变将在较低温度下进行。 二原始组织的影响 钢的原始组织为片状珠光体时，铁素体和渗碳体组织越细，相界面越多，奥氏体的形核越多，晶核长大越快，因此，加速奥氏体的形成。如共析钢的原始组织为淬火马氏体、正火索氏体等非平衡组织时，则等温奥氏体化曲线如下图： 不同原始组织共析钢等温奥氏体曲线。1淬火太 2正火态 3球化退火态 每组曲线的左边一条是转变开始线，右边一条是转变终了线，奥氏体化最快的是淬火状态的钢，其次是正火态的钢，最慢的是球化退火态的钢。原因分析：淬火态钢在A1点以上升温过程中已经分解为微细的片状珠光体，组织最为弥散，相界面最多，最利于奥氏体的形核和长大，所以转变最快。正火态的细片珠光体，相界面也多，所以转变也很快。球化退火态的粒状珠光体，相界面最少，因此，奥氏体化最慢。 三化学成分的影响 因为我们链轮用的是45钢，所以这条对我们链轮意义不大，不过可应用到其他领域。
第6章钢的过冷A转变图 ?6.1 IT图 ?6.2 CT图 ?6.3 IT图与CT图的比较和应用
第6章钢的过冷A转变图 ?过冷A的冷却方式 6等温冷却→“C”曲线或IT（I sothermal T ransformation)曲 线或TTT（T i me T emperature T ransformation)曲线 6连续冷却→CT曲线（C ontinuous T ransformation)或CCT （C ontinuous C ooling T ransformation)曲线
6.1 IT 图 一、IT或TTT图的建立 6金相法： h优点：能较准确地测出转变的开始点和终了点，并能直接观 察到转变产物的组织形态、分布状况及其数量 h缺点:所得结果是不连续的，并且需大量金相试片，费时且麻 烦 6膨胀法：采用热膨胀仪，利用钢在相变时发生的比容 变化来测定 h优点：测量时间短，需要试样少，易于确定在各转变量下所 需时间，能测出过共析钢的先共析产物的析出线 h缺点：当膨胀曲线变化较平缓时，转折点不易精确测出6磁性法：利用钢中A向其它组织转变的磁性变化来测量 h优点：试样少、测试时间短、易于确定各转变产物达到一定 百分数时所需的时间 h缺点：不能测出过共析钢的先共析产物的析出线和亚共析钢P 转变的开始线
6.1 IT 图 二、IT图的分析 ×左侧区域：A不稳定区，孕育期 ×右侧区域：转变产物区 ×中间所夹区域：转变过渡区 ×左侧线：转变开始线 ×右侧线：转变终了线 ×Ms线：低温转变开始温度，开 始生成马氏体 ×Mf线：低温转变终了线 Note:孕育期如何变化？
奥氏体化？将钢件加热至临界点以上温度，使之转变为奥氏体，并获得均匀奥氏体组织 奥氏体的形成过程包含点阵重构和原子的扩散 奥氏体的性能：在钢的各种组织中，以奥氏体的密度最高，比体积最小，线膨胀系数最大，导热性能最差。故奥氏体钢在加热时应降低加热速度 各种临界转变温度的物理意义 Ac1：加热时珠光体转变为奥氏体的温度 Ac3：加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度 Accm：加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度 Ar1：冷却时奥氏体转变为珠光体的温度 Ar3：冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体的温度 Arcm：冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度 奥氏体化过程要经历四个阶段： 1. 奥氏体晶核的形成 2. 奥氏体晶核的长大 3. 渗碳体的溶解 4. 奥氏体成分的均匀化珠光体转变为奥氏体并使奥氏体成分均 匀必须有两个必要而充分条件：一是温度条件，要在Ac1以上加热，二是时间条件，要求在Ac1以上温度保持足够时间。 四、影响奥氏体形成速度的因素： 一）加热温度 (二)钢的碳含量’钢中含碳量越高，奥氏体的形成速度越快 (三)钢的原始组织\原始组织越细，A形成越快 钢中合金元素对奥氏体形成的影响主要有两方面： 一方面是合金影响碳在奥氏体中的扩散系数； 另一方面是合金元素加入改变碳化物的稳定性。 连续加热时奥氏体的形成与等温形成过程相比特点。 一、转变在一个温度范围内完成 二、转变速度随加热速度增加而增加 三、奥氏体成分不均匀性随加热速度增大而增大 四、奥氏体起始晶粒大小随加热速度增大而细化 奥氏体晶粒度的概念有以下三种起始晶粒度本质晶粒度实际晶粒度 起始晶粒度: 奥氏体转变刚刚完成，即奥氏体晶粒边界刚刚相互接触时的奥氏体晶粒大小 实际晶粒度:钢在某一具体的加热条件下实际获得的奥氏体晶粒的大小称为实际晶粒度。 本质晶粒度: 根据GB/T6394-2002，即在930±10 ℃保温3~8h后所测得的奥氏体晶粒大小称为本质晶粒度。 A晶粒具有正常长大倾向的钢称为本质粗晶粒钢 A晶粒具有异常长大倾向的钢称为本质细晶粒钢 影响A晶粒长大的因素
奥氏体：奥氏体A或合金元素在γ-Fe中的固溶体。奥氏体晶粒一般为等轴状多边形，在奥氏体晶粒内有孪晶。奥氏体为面心立方结构，碳原子位于奥氏体晶胞八面体的中心，即面心立方晶胞的中心或棱边的中点。碳原子在奥氏体中的分布也是不均匀的，存在浓度起伏。奥氏体的晶格常数随着含碳量的增加而增加，这是碳原子溶入使晶格膨胀的缘故。当奥氏体中含有合金元素时，大多数合金元素如Mn,Cr,Ni,Co,Si等，在γ-Fe中取代铁原子的位置而形成置换固溶体。 奥氏体的特点：1,A是最密排的点阵结构，致密度高，故A的质量体积最小。转变成M形式时，体积膨胀2,点阵滑移系多，故A的塑性好，屈服强度低，易于加工变 形3,A是高温相，在室温下不稳定，但在钢中加入足够多的扩大γ-Fe相区 的化学元素，则可使A稳定在室温4。A具有顺磁性5,A的导热性差，线膨 胀系数最大，故可用来制造热膨胀灵敏的仪表元件。 奥氏体形成过程：奥氏体的形成是扩散性相变。分为四个阶段，即1，奥氏体形核，2，晶核向铁素体和渗碳体两个方向长大3，剩余碳化物溶解4，奥氏体成分 均匀化。奥氏体晶核是通过扩散机制形成的。 奥氏体的形成速度取决于形核率N和长大速度vg。温度越高，晶粒越细。 影响A形成速度的因素：一切影响A形核率和增大素的的因素都影响奥氏体的形成速度。 1.，加热温度：（1）奥氏体形成速度随着加热温度升高而迅速增大。转变孕 育期变短，相应的转变终了时间也变短。（2）随着奥氏体形成温度升高，形 核率增大速度高于长大速度的增长速率。因此奥氏体形成温度愈高，起始晶 粒度愈小(3)随着奥氏体形成温度升高，奥氏体相界面向铁素体的推移速度与 向渗碳体的推移速度之比增大。当奥氏体将铁素体全部溶解时，剩下的渗碳 体量增多。 2,钢中含碳量和原始组织的影响：(1)钢中含碳量愈高，奥氏体形成速度愈快 (2.)钢的原始组织愈细，奥氏体形成速度愈快。 3,合金元素的影响：(1)对扩散系数的影响。强碳化物形成元素，降低碳在奥 氏体中的扩散系数，因而减慢奥氏体的形成速度。非碳化物形成元素等增 加碳在奥氏体中的扩散系数，因而加速奥氏体的形成。(2)合金元素改变临 界点。（3）合金元素影响珠光体的片层间距，改变碳在奥氏体中的溶解度。 （4）合金元素在奥氏体中分布不均匀，扩散系数仅仅为碳的千分之一， 合金钢的奥氏体的均匀化需要更长的时间。 连续加热时奥氏体的形成特征：1相变是在一个温度范围内完成的。钢在连续加热时，奥氏体在一个温度范围内完成。加热速度愈大，各阶段转变温度范围均向高温推移， 扩大。2，奥氏体成分不均匀性随加热速度增大而增大。在快速加热情况下，碳 化物来不及充分溶解，碳和合金元素的原子来不及充分扩散，因而造成奥氏体 中碳，合金元素浓度分布很不均匀。3，奥氏体起始晶粒随着加热速度增大而细 化。快速加热时，相变过热度大，奥氏体形核率急剧增大，同时，加热时间又 短，因而奥氏体晶粒来不及长大，晶粒较细，甚至获得超细化的奥氏体晶粒。奥氏体晶粒长大：奥氏体终了化时，晶粒较细，随着加热温度进一步升高，时间继续延长，奥氏体晶粒将长大。每一个加热温度都有一个晶粒长大期，奥氏体晶粒 长大到一定大小后，长大趋势减缓直至停止长大。温度愈高，奥氏体晶 粒长大的愈大。无论加热温度，还是保温时间，奥氏体晶粒长大到一定 程度后则不再长大 钉扎作用：用铝脱氧的钢及含有Nb,V,Ti等元素的钢，钢中存在AIN，NbC,Vc,TiC等相微粒，这些相硬度很高，难以变形，存在于晶界上时，阻止奥氏体晶界移动，对晶界起
第二章 钢中奥氏体的形成 重点：1、掌握钢件在加热过程中的组织转变规律； 2、掌握奥氏体晶粒大小的影响因素及控制措施。 难点：奥氏体的形成机理。 内容提要：钢在加热时的组织转变是钢件热处理的基础－因为为使钢经热处理后获得所要求 的组织和性能，大多数热处理（如退火、正火和回火等）都需要将钢件加热至相变临界点以上，形成奥氏体组织，称为奥氏体化，然后再以一定的速度进行冷却。 意义：加热时形成的奥氏体的化学成分、均匀性、晶粒大小 以及加热后未溶入奥氏体中的碳化物、氮化物等过剩 相的数量、分布状况等都对钢的冷却转变过程及转变 产物的组织和性能产生重要的影响。因此，研究钢在 加热时奥氏体的形成过程具有重要的意义。 §2-1 奥氏体的组织结构和性能、奥氏体的形成机 理 一、奥氏体的组织结构 奥氏体的组织：通常是由等轴状的多边形晶粒所组成，晶内常可出现相变孪晶。 晶体结构：奥氏体是C 在γ-Fe 中的固溶体，C 原子在γ-Fe 点阵中处于由Fe 原子组成的八面体中心间隙位置，即面心立方晶胞的中心或棱边中点，如图2-2。 二、奥氏体的性能 奥氏体的存在形式：* 高温时存在：是钢中的高温稳定相； * 室温时存在：是在钢中加入足够量的能扩大γ相区的元素，可使奥氏 体在室温成为稳定相。 力学性能：1、硬度和屈服强度均不高，碳的固溶也不能有效地提高其硬度和强度； 2、因面心立方点阵滑移系统多，奥氏体的塑性很好，易于变形，所以钢的锻造加 工常要求在奥氏体稳定存在的高温区域进行； 物理性能：1、因面心立方点阵是一种最密排的点阵结构，致密度高，所以A 的比容最小； 2、A 的导热性差，故奥氏体钢加热时，不宜采用过大的加热速度，以免因热应力 过大而引起工件变形。 3、奥氏体的线膨胀系数大，因此奥氏体钢也可用来制作热膨胀灵敏的仪表元件； 4、奥氏体具有顺磁性，而奥氏体的转变产物均为铁磁性； 5、单相奥氏体具有耐腐蚀性； 6、奥氏体中铁原子的自扩散激活能大，扩散系数小，因此奥氏体钢的热强性好， 可以作为高温用钢。 三、奥氏体形成机理 （一）奥氏体形成的热力学条件
过冷奥氏体等温转变曲线 一、整体实验目的 1.熟悉用金相硬度法测定过冷奥氏体恒温分解动力学曲线的方法； 2.掌握过冷奥氏体在不同温度范围中恒温转变产物的特征，提高对组织的识别能力。 二、整体实验设备与材料 1.金相显微镜，热处理炉，洛氏硬度计，砂轮，抛光机 2.实验样品：T8钢 三、实验内容 1．硬度结果分析（上节课） 2．结合具体实验温度和保温时间,硬度和金相照片,叙述在本温度下随着保温时间延长奥氏体分解为珠光体的趋势和特点 （一）恒温时间为400摄氏度时，恒温组织转变为奥氏体转变为贝氏体。当恒温时间为1~10s时，常温下观察到的组织为马氏体，当恒温时间为10~100s，常温下观察到的组织为贝氏体。 如图为400℃恒温，恒温转变 原本保温时间为3s，然而根据 硬度，硬度为38.1，属于屈氏 体范围（一般的硬度为: HRC； 35-45左右，如淬火不足） 在此处的，原本应该转变为贝 氏体+马氏体（硬度值约为 62HRC左右）。然而可能因为在 保温过程当中，由于此时间过 短不易操作，所以导致回火。 所以硬度很小 图（1）实验 T8 金相组织图恒温400 恒温时间3s
图（2）百度钢T12 回火屈氏体组织图 500 X 图（3）实验 T8 金相组织图恒温400 恒温时间3s 手机拍摄 实验分析：正常情况下，随恒温时间增长，开始产生贝氏体。硬度会逐渐降低，但是尤其此样品硬度值为突降，故并不是贝氏体，且硬度值范围在屈氏体范围内。通过对比回火曲氏马氏体组织图，可以发现近乎相同。故，可以判断此样品在常温时转变成为了回火屈氏体。 （二）恒温时间为600摄氏度。当未发生转变时，组织全部为马氏体，硬度值很高而且平稳，变化不大。当等温转变有转变产物形成时，由于高温和中温转变组织（如珠光体及贝氏体等）的硬度都低于马氏体，因此硬度下降。 如图（4），此时为恒温温度 600摄氏度，恒温时间为60s 的金相组织。根据硬度，以 及硬度随保温时间变化的曲 线可以分析得到，在60s的 时候，几乎奥氏体都已经分 解，并且转换，由于保温时 间较长，此时均为索氏体。 （硬度为27HRC，属于索氏 体硬度范围即30HRC左右）