奥氏体形成机理
刘宗昌，王海燕，任慧平
（内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古 包头 014010）
摘要：
关键词：奥氏体；珠光体；逆共析转变；形核；孪晶；组织遗传 中图分类号：
LIU Zong-chang, WANG Hai-yan, REN Hui-ping
（School of Material and Metallurgy，Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou Inner Mongolia 014010，China）
1.奥氏体组织和定义
奥氏体一般由等轴状的多边形晶粒组成，晶粒内有孪晶。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。
图1（a）是高锰钢1100℃加热后水韧处理得到的奥氏体晶粒及其中的孪晶，它是碳、锰等元素溶入γ－Fe中所形成的固溶体；图（b）为高锰钢奥氏体孪晶在700℃等温时形成珠光体。
图1SEM高锰钢中奥氏体晶粒（a）和奥氏体孪晶的转变产物
以往，将奥氏体定义为：碳溶入γ－Fe中的固溶体。此定义不严密，不全面。奥氏体是多种化学元素构成的一个具有面心立方晶格的整合系统。实际工业用钢中的奥氏体，是具有一定含碳量，有时特意加入一定含量的合金元素而形成的固溶体。奥氏体中还常存少量杂质元素，如Si、Mn、S、P、O、N、H等。因此确切地讲，钢中的奥氏体是碳或各种化学元素溶入γ－Fe中所形成的固溶体。
2.奥氏体的形核
观察表明，加热时，珠光体逆共析转变为奥氏体，形核位置通常在铁素体和渗碳体两相界面上，此外，珠光体领域的边界，铁素体嵌镶块边界都可以成为奥氏体的形核地点。奥氏体的形成是不均匀形核，符合固态相变的一般规律。
奥氏体在铁素体和渗碳体交界面上形核，是由于铁素体含碳量极低（0.02%以下）,而渗碳体的含碳量又很高（6.67%）,奥氏体的含碳量介于两者之间。在相界面上碳原子有吸附，含量较高，界面扩散速
作者简介：刘宗昌，（1940～），男，汉族，河北玉田人，内蒙古科技大学教授。从事金属固态相变和热处理研究。获省部级科技进步奖10项，发表论文220余篇，出版学术专著和教材10部。 E－mail：lzchang75@163.com
度又较快，容易形成较大的浓度涨落，使相界面某一微区达到形成奥氏体晶核所需的含碳量；此外在界面上能量也较高，容易造成能量涨落，以便满足形核功的需求；在两相界面处原子排列不规则，容易满足结构涨落的要求。所有这三个涨落在相界面处的优势，造成奥氏体晶核最容易在此处形成。
图2（a)为T8钢加热时，奥氏体在相界面上形成的扫描电镜照片；图（b）奥氏体晶核在铁素体和渗碳体的界面上形成，是Fe–2.6wt% Cr–0.96wt% C合金，加热到800℃，保温20s，奥氏体形核的透射电镜照片[5]，可见奥氏体晶核在渗碳体和铁素体相界面上形成。
图2奥氏体在片状珠光体相界面形核，（a）SEM ，（b)TEM[5]
奥氏体晶核也可以在原粗大的奥氏体晶界上（原始奥氏体晶界）形核并且长大，由于这样的晶界处富集了较多的碳原子和其他元素，给奥氏体形核提供了有利条件。图3所示为奥氏体在原始奥氏体晶界上形核，并形成许多细小的奥氏体晶粒。
最近的观察表明，奥氏体也可在珠光体领域的边界上形核，如图4所示，图中的符号M2、M1表示奥氏体在冷却时转变为马氏体组织。
总之，奥氏体的形核是扩散型相变，可在渗碳体与铁素体相界面上形核，也可以在珠光体领域的交界面上形核，还可以在原奥氏体晶界上形核。这些界面易于满足形核的能量、结构和浓度三个涨落条件。
图3 奥氏体晶核在原奥氏体晶界上形核
图4 TEM奥氏体在珠光体领域的边界上形核[5]
3.奥氏体的晶核的长大
加热到奥氏体相区，在高温下，碳原子扩散速度很快，铁原子和替换原子均能够充分扩散，既能够
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进行界面扩散，也能够体扩散，因此奥氏体的形成是扩散型相变。
3.1 奥氏体晶核长大
奥氏体形核后，在珠光体内部以扩散方式长大。图5表示了奥氏体晶核长大的不同的情况[5]。图（a）是800℃加热8s，奥氏体晶核在两片渗碳体之间形成并且长大的例子，可见奥氏体晶核只是在铁素体片中长大，没有吞噬渗碳体；图（b）是Fe–2.6wt% Cr–0.96wt% C合金加热20s，一片铁素体和一片渗碳体同时形成奥氏体晶核，然后一起吞噬铁素体片和渗碳体片而长大的情形。
将完全退火的共析钢T8，组织为片状珠光体，加热到880℃，保温5s后水淬，奥氏体在珠光体中形核并且长大的情景如图6所示，可见，奥氏体晶核大面积吞噬珠光体的情景，
图5 (a)SEM，（b）TEM，奥氏体晶核在片状珠光体内长大
图6 SEM T8钢奥氏体晶核吞噬珠光体而长大
原始组织为粒状珠光体时，奥氏体晶核在铁素体和渗碳体颗粒的相界面上形成，然后同时向铁素体和渗碳体中长大，如图7所示为过共析钢T10的粒状珠光体加热到745℃，奥氏体形核长大的情景。T10钢的原始组织为粒状珠光体，加热到720℃淬火，仍然为粒状珠光体，当加热725℃，则有奥氏体形成，照片（b）中的白亮块处原为奥氏体，淬火后转变为马氏体（标M）,未转变的部分仍然为粒状珠光体。可见，奥氏体晶核在长大时，铁素体连同渗碳体颗粒一起被奥氏体吞噬了。
图7 T10钢粒状珠光体的加热转变[1]
3.2奥氏体晶核依靠体扩散长大
当在铁素体和渗碳体交界面上形成奥氏体晶核时，则形成了γ－α和γ－Fe3C两个新的相界面。那么，奥氏体晶核的长大过程实际上是相界面向铁素体和渗碳体中推移的过程。若奥氏体在Ac1以上某一
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