六、碳钢及钢的热处理2、钢的加热转变（奥氏体化过程）（1）形核长大过程通常，A形核于结构、成分、能量起伏严重的F/Fe3C界面处，尤其是三叉晶界（界面）处。在A、F、Fe3C中碳浓度如图所示。在A中碳浓度变化图图所示。F中C%提高，F→A，Fe3C溶解，A中C%提高，在A中造成靠近Fe3C一侧C%高，而靠近F一侧C%低，C扩散，于是，A向F和Fe3C中生长（只是向F一侧发展得迅速一些）A长大，直到A晶粒互相接触。但由于Fe3C成分差别大、晶格差别大，转变慢（由扩散控制），此时，还有Fe3C残留。以后继续加热，残余Fe3C溶解，C%进入A中；Fe3C溶完后，最后溶解之处C%高，远处的C%低，高温扩散均匀。因此，完整的奥氏体化过程包括四个步骤（阶段）：i、A形核（A在F/Fe3C界面处形核）ii、A晶核长大（晶核向F、Fe3C生长）iii、残余Fe3C溶解（C%溶入A中）iv、碳成分均匀化（伴随A晶粒长大）奥氏体化过程分析（略）能量分析珠光体自由能和奥氏体自由能随温度的变化曲线如图所示。交点所对应的温度为A1，A1为相变平衡温度。实际相变是必须有一定的过热，这样相对应的温度即为Ac1。成分变化在A/F，A/CM为相界上存在碳浓度差。形成扩散，扩散打破平衡，CM溶解，F改组，恢复平衡，在打破与恢复过程中，A不断长大。（2）奥氏体化过程的TTT图TTT图加热转变的TTT图四条线对应于4个阶段，分为五个区间等温加热奥氏体化。连续加热奥氏体化。注意：i、如果条件不具备奥氏体化可能不完全；ii、亚共析钢、过共析钢除了上述4个过程外，还有先共析铁素体（F先）和Fe3CII的溶解，但难以说清楚先溶入的是F先还是F共，Fe3CII还是Fe3C共，通常不严格区分。但是，加热温度需高于Ac3或Accm，时间要更长，尤其是过共析钢。奥氏体化过程的动力学加热相变，如图所示，i、奥氏体化温度高，相变快；ii、加热速率快，相变快，都有利于奥氏体化，这一点可应用于感应加热表面淬火Xt2）影响奥氏体化的主要因素主要是三个方面的影响（1）加热条件（加热温度、速率、时间）（2）化学成分C——C%↑，F/Fe3C界面增多，Fe3C间距减小，扩散距离减小，且Fe、C扩散加剧，加速奥氏体化。但过共析钢，C%↑，Fe3CII增加，Fe3C溶解，C%均匀化所需温度更高、时间更长。合金元素——复杂，通过影响①相变临界点、②Fe、C的扩散，③F/Fe3C的量来改变A的形核与长大速率，来影响奥氏体化过程。Cr、W、Mo、V等碳化物形成元素，阻碍C扩散，阻碍奥化；Ni、Co等非碳化物形成元素，加速C扩散，促使奥化Mn、Ni降低相变临界点，细化P组织，加速奥化总之，除了Ni、Co、Mn外，合金元素不论在F中、还是形成合金渗碳体、或形成合金碳化物，都或多或少阻碍奥化。但无论如何，合金元素本身扩散速率慢，奥化时需温度更高、时间更长。（3）原始组织原始缺陷多→奥化快细→有利于形核长大→快与粒状P相比，片状P更易奥化。3）奥氏体晶粒（1）概念初始晶粒度实际晶粒度我们通常谈及的奥氏体晶粒（度）指的是实际晶粒（度）晶粒度级别N与晶粒大小的关系：n=2N-1，放大100倍1平方英寸（6.45cm2）视野里的平均晶粒数；n’=2N-3，实际1mm2中的平均晶粒数。（2）重要性奥氏体晶粒大小直接或间接影响后续热处理特征（工艺、组织（如魏氏组织）、性能）、机械加工性能（切削性）、最终力学性能（尤其是冲击韧性）。通常需要控制。国家YB27-77标准，制定了标准晶粒度标准：分八级——数字增大，晶粒越细，←01~45~8→超粗粗细超细（3）影响因素i、炼钢方法（脱氧剂的选择）同种钢不同的炼钢方法，奥氏体长大的情况不同，即，在相同的热处理条件下奥氏体化，奥氏体晶粒大小不同。A——不连续长大——本质细晶粒钢Ｂ——连续长大——本质粗晶粒钢(B——Mn、Si脱氧；A——除了Mn、Si脱氧外，还采用了Al脱氧，产生了AlN。）鉴别：碳钢930±10℃×3~8h后测晶粒度，为1-4级，则为本质粗晶粒钢，若为5~8级则为本质细晶粒钢。原因：AlN溶解930℃以上加热，本质细晶粒钢发生异常长大，反而更加粗大。iii、合金成分C%↑，易粗化，原因：C原子加速铁的自扩散。除了Mn、Co、Ni、P等之外，其它元素均使奥氏体晶粒长大受阻，而晶粒细化。阻滞作用：Nb、Zr、Ti、V、Al、W、Mo、Cr、Ni、Si、Cu强中弱定性地说：难溶于奥氏体而易形成碳化物或金属间化合物的元素，阻滞作用强。iv、原始组织原始界面（缺陷）多→奥氏体易形核→起始奥氏体晶粒细→长大倾向大→难以控制，易过烧→粗化