3.3 奥氏体等温形成动力学

奥氏体形成速度取决于形核率和长大速度，在等温条件下形核率和长大速度均为常数，随着温度升高，形核率和长大速度均增大。同时，钢的成分、原始组织等均影响转变速度，为了使问题简化，首先讨论当温度恒定时奥氏体形成的动力学问题。

3.3.1 共析钢奥氏体等温形成动力学

奥氏体形成动力学曲线是在一定温度下等温时，奥氏体形成量与等温时间的关系曲线，用“温度-时间-奥氏体转变量”的曲线形式表达，有时也称为奥氏体化曲线^[10]，简称TTA曲线。等温TTA曲线可以采用金相法、膨胀法、热分析法等方法测定。

采用全自动相变测量仪可以测得等温温度下的转变膨胀曲线，当奥氏体形成时，试样体积收缩，转变量越大，体积收缩越大，奥氏体转变终了，收缩停止。配合金相法，能够画出奥氏体等温形成动力学曲线，如图3-15a所示^[4]。由图中可见，此曲线表示了各个等温温度下奥氏体转变开始及终了的时间，等温温度越高，曲线越靠左，等温形成的开始和终了时间也越短。转变开始的时间称为孕育期。

将上述动力学曲线综合绘在转变温度与时间的坐标系上，即可得到奥氏体等温形成图，如图3-15b所示。但这里的转变“终了”只表示珠光体到奥氏体的转变刚刚完成（即α相全部转变为γ相）时的情况。实际上，在奥氏体刚刚形成、铁素体刚刚消失之际还存在剩余碳化物，继续等温，碳化物将继续溶解，碳化物溶解完毕后奥氏体成分是不均匀的。奥氏体成分均匀化需要较长时间，严格来说，均匀化是相对的，不均匀是绝对的，尤其是合金钢，合金元素在奥氏体中往往是不均匀分布的，甚至存在偏聚现象。若将剩余碳化物溶解及奥氏体成分均匀化过程全部标出来，则共析钢的奥氏体等温形成如图3-16所示。

图3-15 w_C＝0.86％钢奥氏体等温形成动力学曲线和等温形成图

图3-16 共析钢奥氏体等温形成图

从图3-16中可见：

1）在高于Ac₁温度加热保温时，奥氏体并不立即形成，而是经过一定的孕育期后才开始形成。加热温度越高，孕育期就越短。

2）奥氏体形成速度在开始时比较慢，以后逐渐增快，当奥氏体形成量约为50％时最快，以后又逐渐减慢。

3）加热温度越高，形成奥氏体所需的全部时间越短，即奥氏体形成速度越快。

4）在珠光体中的铁素体全部转变为奥氏体后，还需要一段时间使剩余碳化物溶解和奥氏体均匀化。

对于亚共析碳素钢或过共析碳素钢，当珠光体全部转变为奥氏体后，还有过剩相铁素体或过剩相渗碳体的转变。这些转变也需要通过碳原子在奥氏体中扩散以及奥氏体与过剩相的相界面推移来实现。图3-17、图3-18所示分别为w_C＝0.1％钢和w_C＝0.6％钢的等温TTA曲线^[10]。

图3-17 w_C＝0.1％钢TTA曲线

1—转变开始 2—转变终了

图3-18 w_C＝0.6％钢TTA曲线

1—转变开始 2—转变终了

3.3.2 连续加热时奥氏体形成的TTA曲线

连续加热时奥氏体形成的TTA曲线更加符合大多数热处理加热过程的实际情况。图3-19所示为w_C＝0.7％钢连续加热的TTA曲线^[10]，其原始组织为铁素体＋珠光体两相的整合组织，图中的转变开始线Ac₁、Ac₃，终了线Ac_1f均随着加热速度的提高而升高。对于大多数钢种来说，当超过一定加热速度后，转变开始线Ac₁、Ac₃就不再向温度升高的方向推进，而使开始线保持平坦。由于均匀奥氏体和不均匀奥氏体没有严格的界线，在图3-19中将其加上了引号，并用虚线隔开。

3.3.3 影响奥氏体形成速度的因素

1.加热温度的影响

如前所述，加热温度越高，奥氏体形成速度越快，转变孕育期变短，相应地转变终了时间也变短。而且随着加热温度的升高，奥氏体的形核率N及长大速度G均增大，但N的增大速率高于G的增大速率。因此，奥氏体形成温度越高，获得的起始晶粒度越小；同时，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比向渗碳体的推移速度大。

随着奥氏体形成温度的升高，奥氏体的起始晶粒细化；同时，相变的不平衡程度增大，在铁素体相消失的瞬间，剩余渗碳体量增多，因而奥氏体中的平均含碳量低。这两个因素均有利于改善淬火钢尤其是淬火高碳工具钢的韧性。

图3-19 w_C＝0.7％钢连续加热的TTA曲线

2.含碳量的影响

钢中含碳量越高，奥氏体形成速度越快。这是由于含碳量增高，碳化物数量增多，增加了铁素体和渗碳体的相界面面积，因而增加了奥氏体的形核部位，使形核率增大。同时，碳化物数量的增加，使碳原子的扩散距离减小，碳和铁原子的扩散系数增大，这些因素均增大了奥氏体的形成速度。但是，在过共析钢种中由于碳化物数量过多，随着含碳量增加会引起剩余碳化物溶解和奥氏体均匀化的时间延长。

3.原始组织的影响

在钢的成分相同的情况下，钢的原始组织越细，原始组织中的碳化物分散度越高，相界面就越多，形核率越大。同时，珠光体的片间距越小，碳原子的扩散距离越小，奥氏体中的浓度梯度增大，奥氏体形成速度加快。例如，原始组织为托氏体时奥氏体的形成速度比索氏体和珠光体都快。另外，珠光体中的碳化物有片状的，也有粒状的。由于片状珠光体中的碳化物与铁素体的相界面面积大，易于形核，也易于溶解；同时，片状珠光体转变为奥氏体时，受碳在奥氏体中的扩散控制，而粒状珠光体转变时受碳在铁素体中的扩散控制。因此，碳化物呈片状时，奥氏体的等温形成速度较粒状的快。图3-20所示为w_C＝0.9％钢的片状和粒状珠光体的奥氏体等温形成动力学图，由图中可见，760℃时片状珠光体的奥氏体化转变完了时间不足1min，而粒状珠光体则需5min以上。

4.合金元素的影响

钢中加入合金元素并不影响珠光体向奥氏体的转变机制，但影响碳化物的稳定性及碳在奥氏体中的扩散系数，并且多数合金元素在碳化物和基体之间的分布是不均匀的。所以，合金元素将影响奥氏体的形成速度、碳化物的溶解以及奥氏体的均匀化。

1）对扩散系数的影响。强碳化物形成元素如Cr、V、Mo、W等降低碳在奥氏体中的扩散系数，所以减慢奥氏体的形成速度。非碳化物形成元素Co、Ni等增大碳在奥氏体中的扩散系数，加速奥氏体的形成。Si和Al对碳在奥氏体中的扩散影响不大，所以对奥氏体的形成速度无显著影响。

图3-20 片状和粒状珠光体的奥氏体等温形成动力学图

2）合金元素改变钢的临界点位置，使转变在一个温度范围内进行，即改变了过热度，从而影响了奥氏体的形成速度。例如，Ni、Mn、Cu等降低A₁点，相对增大了过热度，故使奥氏体的形成速度增大；Cr、Mo、Ti、Si、Al、W、V等提高A₁点，相对减小了过热度，所以减慢了奥氏体的形成速度。

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，从而影响奥氏体的形成速度。

4）合金元素在奥氏体中分布不均匀，因此，合金钢的奥氏体均匀化过程除了碳的均匀化以外，还包括了合金元素的均匀化。由于合金元素的扩散系数仅为碳的1/10000～1/1000，同时碳化物形成元素还降低碳原子在奥氏体中的扩散系数，如若形成特殊碳化物（如VC、TiC等）则更难于溶解。因此，合金钢的奥氏体均匀化需要更长的时间。鉴于上述原因，合金钢淬火时，为了使奥氏体均匀化，需要加热到更高温度和保温更长时间。