临界区加热时奥氏体形成的观察

 临界区加热时奥氏体的形成过程可以分为两个阶段：形核和长大。而长大过程又可细分为：初始长大、向铁素体长大及最终平衡。

1. 奥氏体的形核

  相变时，新相的生成并不是在体系的每个点上同时发生，而是先在某些小区域内开始，然后扩展到整体。新相开始形成的小区域称核心。相变的第一个过程就是形核过程。一般固态相变中，新相的形核功在晶界或相界比在母相晶粒内小，因此新相晶核总是优先在两相交界面上或晶界上出现。

  对三种不同原始组织－球状渗碳体加再结晶的铁素体、珠光体加铁素体、球状渗碳体加冷轧状态的铁素体，在临界区加热时奥氏体的形成过程观察得出：在第一种和第二种组织中；奥氏体优先在铁素体晶界的碳化物上形核及长大。在第三种组织中，奥氏体形核较为复杂，此时奥氏体可在珠光体团边界的渗碳体上，也可在铁素体晶粒与珠光体团分界面上的渗碳体上形核。有趣的是，甚至在珠光体含量较高的钢中，奥氏体仍在珠光体团边界的渗碳体粒子上形核，这些珠光体团的边界最后变成铁素体晶界。

  Specich认为：在成分为（0.06%~0.20%)C-1.5%Mn、初始组织为铁素体加珠光体的钢中，临界区加热时奥氏体形成的第一步是在铁素体－珠光体交界面上形核，形核过程是瞬时发生的，基本上没有势垒障碍，同时珠光体片层间隙很细，奥氏体一旦形核，就迅速长大。

  如将预先淬火、回火的钢，加热到临界区温度，奥氏体将在铁素体晶界而不是在铁素体晶粒内部的碳化物粒子上形核。奥氏体形核后沿着铁素体晶界长大，而铁素体晶粒内部的碳化物粒子在等温时溶解，碳从这些粒子扩散到铁素体晶界上的奥氏体中，使奥氏体长大。

2. 奥氏体的初始长大

  奥氏体形核之后，随即开始了迅速长大的初始阶段。原始组织为珠光体加铁素体的钢中，在此阶段珠光体迅速溶解。奥氏体的长大主要由碳在奥氏体中的扩散所控制，扩散路径是沿着珠光体－奥氏体交界面，扩散距离大约等于珠光体的片间距（0.2μm)。由于扩散距离非常短，因此这一阶段奥氏体的长大速率很快。随着临界区加热温度升高，珠光体的溶解速率迅速增加，例如在780℃下珠光体的临界区加热时奥氏体的形成溶解速率比730℃高3个数量级。温度对奥氏体初始长大速率的影响与温度引起的浓度梯度变化及温度对碳的扩散系数的影响有关。

  在较低的临界区加热温度下，奥氏体长大具有明显的方向性，即奥氏体形核后，首先是沿着铁素体的晶界长大，长大方向平行于铁素体的晶界。初始长大的这种非对称性可能与扩散系数的结构敏感性有关。对于扩散控制长大的新相，长大速率通常正比于扩散系数。垂直于晶界的长大速率受体扩散控制，平行于晶界的长大受晶界扩散的影响。在低温下（加热温度在0.5T~0.7T之间）质量传递多以晶界扩散的方式进行。而在高温下（温度＞0.7T),质量传递多以体扩散的方式进行。一般晶界扩散的激活能仅为体扩散激活能的一半或更小。因此，在低的临界区退火温度下奥氏体的非对称长大，可用晶界扩散和体扩散的激活能的不同及扩散速率的快慢来解释。

  奥氏体的初始长大还和初始显微组织有关。例如当碳化物为球形时，晶界碳化物粒子会迅速转变为奥氏体，但随后的长大，由于要靠铁素体晶粒内的碳化物粒子溶解才能进行，碳的扩散距离较大，所以奥氏体的长大速率变慢。

3. 奥氏体向铁素体长大

 在奥氏体初始长大阶段完成后，珠光体或碳化物全部溶解，并转变为奥氏体，继续增加保温时间，奥氏体将长大进入周围的铁素体，以达到由二相区内杠杆定律所确定的奥氏体平衡的体积分数。这一过程可以分为两种情况。一种情况没有锰的扩散和再分配，奥氏体长大过程由奥氏体中的碳扩散控制。此时可能建立起佯平衡状态，并可用一维的奥氏体中碳扩散问题来处理。

  另一种情况，即在一般情况下，奥氏体－铁素体交界面向铁素体推移的过程中，可能发生锰的分配。由于锰在铁素体中的扩散速率比在奥氏体中几乎高3个数量级，因此，锰在铁素体中的扩散是过程的控制因素。锰通过铁素体或沿铁素体晶界的扩散都会导致奥氏体粒子周围形成高锰的边圈，使得奥氏体岛的边部比中心有更高的淬透性，当冷却时，就会形成马氏体边圈，而心部则转变为珠光体或其他非马氏体转变产物（图2-1).马氏体边圈的存在间接证明了锰在铁素体和奥氏体中的扩散速率不同。用扫描透射显微术对铁素体、奥氏体（即淬火后的马氏体）中锰含量的测定结果（图2-2)是锰分配扩散的直接证据。

4. 最终的平衡

奥氏体形成的最后一步是锰在奥氏体内扩散，使奥氏体的成分均匀化。奥氏体中锰的含量梯度所造成的化学势差，为这一过程提供了驱动力。由于锰在奥氏体中的扩散速率较慢，因此这一过程所需时间较长，在通常的临界区处理工艺条件下，这一步均难以完成。

上述奥氏体形成过程中的各阶段是一个连续过程，并且不一定达到过程的最终平衡。各个阶段的长短和进行的程度与钢中合金元素、临界区加热温度及加热前钢的初始组织等因素有关。初始组织为铁素体加珠光体的0.06%C-1.55%Mn钢，740℃加热时奥氏体形成过程中钢的显微组织示于图2-3。

 初始组织为粒状碳化物加冷变形铁素体的0.22%C-1.55%Mn钢，在725℃临界区加热时奥氏体形成过程中钢的显微组织的变化示于图2-4.在725℃保温10秒后，铁素体基本完成了再结晶，奥氏体已在不少碳化物粒子上成核（见图2-4);725℃保温40 min后，铁素体晶粒内的碳化物粒子开始溶解，处于晶界上的奥氏体粒子已经长大（见图2-4c);725℃保温400 min后，铁素体晶粒内的碳化物粒子全部溶解，奥氏体粒子沿晶界长大。