加热是热处理的第一道工序，为了在热处理后获得所需性能，大多数热处理工艺都要将钢加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织，通常把钢加热获得奥氏体的转变过程称为“奥氏体化”。加热时形成的奥氏体组织的状况，如化学成分、晶粒大小及成分均匀性等会直接影响奥氏体冷却转变过程及转变后的组织和性能。

5.1.1.1　转变温度

根据Fe-Fe3C相图，共析钢加热超过PSK线（A1）时，完全转变为奥氏体；而亚共析钢和过共析钢必须加热到GS线（A3）和ES线（Acm）以上，才能全部获得奥氏体。而实际热处理加热和冷却时的相变是在不完全平衡的条件下进行的，实际相变温度与平衡相变点之间有一定差异，加热时相变只有在平衡临界点以上才能进行，冷却转变只有在平衡临界点以下才能进行。通常将加热的临界温度标为Ac1、Ac3、Accm，冷却的临界温度标为Ar1、Ar3、Arcm。实际的临界温度不是固定的，它与平衡临界点的偏离随加热和冷却速度的提高而增大。图5.2表示加热和冷却速度为0.125 °C/min时对临界点的影响。

图5.2　加热和冷却速度对临界点A1、A3、Acm的影响（加热和冷却速度为0.125 °C/min）

5.1.1.2　奥氏体的形成

1．形成过程

奥氏体的形成是通过形核及长大两个基本过程来完成的。以共析钢为例，其原始组织为珠光体，当加热到Ac1以上时，将发生珠光体向奥氏体的转变，其转变过程可以描述为四个阶段，如图5.3所示。

图5.3　共析钢奥氏体形成过程示意图

第一阶段：奥氏体晶核的形成。钢加热到 Ac1以上时，珠光体变得不稳定，经过一段孕育期，首先在铁素体和渗碳体的界面形成奥氏体晶核，因为该界面的碳浓度不均匀，原子排列也不规则，处于能量较高状态，在结构和成分上为奥氏体形核提供了有利条件。

第二阶段：奥氏体的长大。奥氏体形成以后，它一侧与渗碳体相接触，另一侧与铁素体相接触。与渗碳体相接处含碳量较高，而与铁素体相接处含碳量较低。因此，奥氏体中的含碳量是不均匀的，在奥氏体中出现了碳浓度梯度，引起碳在奥氏体中不断由高浓度向低浓度扩散，随着碳扩散的进行，破坏了奥氏体形成时碳浓度的界面平衡，造成奥氏体与铁素体相接处的碳浓度增高以及奥氏体与渗碳体相接处的碳浓度降低。为了恢复界面上碳浓度平衡，势必促使铁素体向奥氏体转变，以及渗碳体的不断溶解。这样，碳浓度破坏平衡和恢复平衡的反复循环过程，使得奥氏体逐渐向渗碳体和铁素体两方面推移而实现奥氏体的长大。

第三阶段：残留渗碳体的溶解。在奥氏体晶粒长大过程中，由于渗碳体的晶体结构和含碳量与奥氏体之差远大于同体积的铁素体，所以，铁素体向奥氏体转变的速度往往比渗碳体的溶解要快，铁素体总是比渗碳体消失得早。在铁素体完全消失后，仍残留有一定量的渗碳体，它们只能在随后的保温过程中逐渐溶入奥氏体中，直至完全消失。

第四阶段：奥氏体成分的均匀化。当残留渗碳体全部溶解后，奥氏体的碳浓度仍然是不均匀的，在原来渗碳体处含碳量较高，而在原来铁素体处含碳量较低。需继续延长保温时间，通过碳原子的扩散，使奥氏体中的含碳量逐渐趋于均匀。

亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同，但其完全奥氏体化的过程有所不同。对于亚共析钢和过共析钢来说，加热至 Ac1以上并保温足够长的时间，只能使原始组织中的珠光体完成奥氏体化，仍会保留先共析铁素体或先共析渗碳体，这种奥氏体化过程被称为“不完全奥氏体化”。只有进一步加热至Ac3或Accm以上保温足够长的时间，才能获得均匀的单相奥氏体，这被称为非共析钢的“完全奥氏体化”。

2．影响奥氏体转变的因素

奥氏体的形成速度取决于加热温度和速度、钢的成分、原始组织，即一切影响形核与长大、影响碳扩散的因素，都将影响奥氏体的转变速度。

（1）加热温度。

随着加热温度的提高，碳原子扩散速度增大，碳化物的溶解及奥氏体的均匀化都进行得快。所以，奥氏体形成速度加快。

（2）加热速度。

在连续加热时，加热速度越快，过热度越大，奥氏体形成温度越高，转变的温度范围越宽。因此，完成转变所需的时间就越短。(www.daowen.com)

（3）钢中含碳量。

碳含量增加时，渗碳体增多，铁素体与渗碳体的相界面积增大，奥氏体形成的基底增多，因而奥氏体的核心增多，转变速度加快。

（4）合金元素。

合金元素的加入，不改变奥氏体形成的基本过程，但显著影响奥氏体的形成速度。除钴、镍外，大多数合金元素都会减慢碳在奥氏体中的扩散速度，同时，合金元素本身在奥氏体中的扩散速度也较碳慢。所以，合金钢的奥氏体化过程大多比碳钢慢，加热温度一般较碳钢高些，保温时间更长些。

（5）原始组织。

在钢的成分相同时，组织中珠光体越细，渗碳体片间距越小，奥氏体形成速度就越快。

5.1.1.3　奥氏体晶粒大小及影响因素

钢在加热后形成的奥氏体组织，特别是奥氏体晶粒大小直接影响冷却转变后钢的组织和性能。奥氏体晶粒均匀而细小，冷却后奥氏体转变产物的组织也均匀细小，其强度、韧性、塑性都比较高，尤其对淬火、回火钢的韧性具有很大影响。因此，加热时总是力求获得均匀细小的奥氏体晶粒。

1．奥氏体晶粒度

奥氏体的晶粒大小用晶粒度来衡量。奥氏体有三种不同概念的晶粒度：

（1）起始晶粒度：珠光体刚全部转变成奥氏体时的晶粒度，一般情况下是比较细小的。

（2）本质晶粒度：钢在规定加热条件下（加热温度930 °C±10 °C、保温8 h），冷却后测得的晶粒度。它表示钢在上述规定加热条件下奥氏体晶体长大的倾向。奥氏体晶粒迅速长大者，称为本质粗晶粒钢；奥氏体晶粒不明显长大者，称为本质细晶粒钢，如图5.4所示。

图5.4　本质细晶粒钢和本质粗晶粒钢的晶粒长大倾向

（3）实际晶粒度：在具体加热条件下实际获得的奥氏体晶粒度，它直接影响冷却转变后的晶粒大小和性能。

生产上一般用比较的方法，通过标准晶粒度等级图来评定钢的奥氏体晶粒大小。晶粒度通常分为8级，1～4级为粗晶粒，5～6级为细晶粒，超过8级为超细晶粒。

2．影响奥氏体晶粒度的因素

（1）加热温度和保温时间。奥氏体刚形成时晶粒是细小的，随着加热温度升高，晶粒将逐渐长大。奥氏体晶粒长大，伴随着晶界总面积的减少，使体系能量较低。所以在高温下，奥氏体晶粒长大是一个自发过程。温度越高，晶粒长大越明显。在一定的温度下，保温时间越长，奥氏体晶粒也越粗大。

（2）钢的成分。奥氏体中的碳含量增高时，晶粒长大的倾向增大。若碳以未溶碳化物的形式存在，则它有阻碍晶粒长大的作用。钢中的大多数合金元素（除Mn以外）都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。其中能形成稳定碳化物的元素（如Cr、W、Mo、Ti、V、Nb等）和能生成氧化物、氮化物的元素（如适量的 Al），因其碳化物、氧化物和氮化物在晶界的弥散分布，强烈阻碍奥氏体晶粒长大，而使晶粒保持细小。

（3）加热速度。加热温度相同时，加热速度越快，过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，形核率的增加大于长大速度，使奥氏体晶粒越细小。生产上常采用快速加热短时保温工艺来获得超细化晶粒。