钢加热到Ac1（Ac3） 时，珠光体向奥氏体转变，通常把钢加热获得奥氏体的转变过程称为“奥氏体化”。

1.共析钢奥氏体化过程

共析钢加热到Ac1 以上时，钢中的珠光体将向奥氏体转变，这一转变过程是通过形核和晶核长大进行的，如图4 -4 所示。

图4-4　共析钢中奥氏体形成过程示意图

（a） 形核； （b） 晶核长大； （c） 残留渗碳体溶解； （d） 奥氏体均匀化

1） 奥氏体晶核的形成

在室温下，珠光体组织是由铁素体和渗碳体片层相间组成的。体心立方晶格的铁素体含碳量低，而渗碳体含碳量高，两者界面处原子排列紊乱，处于不稳定状态，这为奥氏体形核提供了有利条件。如图4 -4 （a） 所示，形成奥氏体晶核即发生了晶格改组，由体心立方晶格转变为面心立方晶格。

2） 奥氏体晶核长大

奥氏体晶核形成后，与奥氏体相邻的渗碳体通过分解不断溶入生成的奥氏体晶格中（同时铁素体晶格不断改组），如图4 -4 （b） 所示，使奥氏体长大直到珠光体消失。

3） 残余渗碳体溶解

由于渗碳体的晶格结构和含碳量与奥氏体相差很大，故渗碳体向奥氏体溶解落后于铁素体向奥氏体晶格的改组，当铁素体全部消失后，仍有部分渗碳体尚未溶解，通过原子扩散继续向奥氏体中溶解，直到全部消失，如图4 -4 （c） 所示。

4） 奥氏体均匀化

当渗碳体全部溶入奥氏体后，奥氏体中的碳浓度仍不均匀，在原渗碳体处含碳量较高，在原铁素体处含碳量较低，需要一段时间，通过碳原子进一步扩散，才能使奥氏体中的碳含量均匀。因此，热处理时的保温阶段就是为了使奥氏体成分均匀，如图4 -4 （d） 所示。

亚共析钢室温组织是珠光体和铁素体，当加热到Ac1 时，组织中的珠光体转变为奥氏体，温度再升高，铁素体不断转变为奥氏体，直到Ac3 时才全部转变为奥氏体组织。过共析钢室温组织是珠光体和二次渗碳体，当加热到Ac1 时，珠光体转变为奥氏体。温度再升高，渗碳体逐渐向奥氏体中溶解，直到Accm线时才全部转变为奥氏体。

2.影响珠光体向奥氏体转变速度的因素

奥氏体形成速度受到加热温度、钢的原始组织及化学成分等因素影响。

（1） 加热温度。随着加热温度升高，原子扩散能力增大，特别是碳原子在奥氏体中的扩散能力增大，加快了奥氏体化的速度。

（2） 钢的原始组织。在钢成分相同时，组织中的珠光体越细，铁素体与渗碳体的界面越多，形核越多，奥氏体化越快。片状珠光体比粒状珠光体界面多，加热时奥氏体形成速度较快。

（3） 化学成分。

①碳的影响。随着含碳量的增加，原组织中的渗碳体数量增大，从而增加了铁素体与渗碳体的相界面，提高了奥氏体的形核率，使奥氏体形成加快。

②合金元素。钢中加入合金元素并不改变奥氏体形成的基本过程，但钴、镍提高了碳在奥氏体中的扩散速度，加快了奥氏体的形成速度。硅、镍、锰对奥氏体形成的影响不大，而铬、钼、钨、钒等碳化物形成元素显著降低了碳在奥氏体中的扩散速度，大大降低了奥氏体形成的速度。

在相同条件下，合金元素在奥氏体中的扩散速度比碳小很多，仅为碳的1/10 000 ～1/1 000，因此合金钢奥氏体均匀化时间要比碳钢长。生产上合金钢加热温度要适当高些，保温时间也要长些。

3.奥氏体晶粒大小及其影响因素(www.daowen.com)

当珠光体向奥氏体转变刚完成时，奥氏体晶粒是比较小的。随着加热温度的升高、保温时间的延长，奥氏体晶粒会自发地长大。奥氏体晶粒大小对冷却转变后钢的组织和性能影响很大。奥氏体晶粒越小，冷却后的产物组织晶粒也越细小，细晶粒不仅强度、塑性比粗晶粒高，而且冲击韧性也明显提高。晶粒粗大的钢件淬火时易产生变形、开裂，尤其是当晶粒大小不均匀时还会显著降低钢的结构强度，引起应力集中，易产生断裂。因此，为了获得所期望的晶粒尺寸，在生产中应当防止加热时奥氏体晶粒粗化。

晶粒度是表示晶粒大小的一种尺度。根据奥氏体形成过程和晶粒长大情况不同，可将奥氏体晶粒度分为起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度。

（1） 起始晶粒度： 珠光体刚刚全部转变为奥氏体时的奥氏体晶粒度。一般情况是奥氏体的起始晶粒比较细小，在继续加热或保温时，它就要长大。

（2） 实际晶粒度： 钢在某一具体的热处理或加热条件下实际获得的奥氏体晶粒度，它的大小直接影响钢件的性能。实际晶粒一般比起始晶粒大，因为在热处理生产中，通常都有一个升温和保温阶段，在这段时间内，晶粒有了不同程度的长大。

（3） 本质晶粒度： 根据标准试验方法，在930 ℃±10 ℃保温足够时间（3 ～8 h） 后测定的钢中晶粒的大小。

不同牌号的钢，其奥氏体晶粒的长大倾向是不同的。有些钢的奥氏体晶粒随着加热温度升高会迅速长大，而有些钢的奥氏体晶粒则不容易长大，只有加热到更高温度时才开始迅速长大，如图4 -5 所示。一般前者称为本质粗晶粒钢（1 ～4 级），后者称为本质细晶粒钢（5 ～8 级）。所以本质晶粒并不是指具体的晶粒，而是表示某种钢的奥氏体晶粒长大的倾向性。本质晶粒度也不是晶粒大小的实际度量，而是表示在规定的加热条件下，奥氏体晶粒长大倾向性的高低。

奥氏体晶粒的大小用晶粒度指标来衡量。晶粒度是指将铜加热到一定温度、保温一定时间后获得的奥氏体晶粒大小。为了测定或比较钢的实际晶粒大小，把试样在金相显微镜下放大100 倍，然后与标准晶粒号比较以确定其等级。标准晶粒度分为8 个等级，1 级的晶粒最粗，8 级最细，其中晶粒度在1 ～4 级的钢为本质粗晶粒钢，5 ～8 级的钢为本质细晶粒钢。奥氏体标准晶粒度等级如图4 -6 所示。

图4-5　奥氏体晶粒长大倾向示意

图4-6　奥氏体标准晶粒度等级

在工业生产中，一般经铝脱氧的钢大多是本质细晶粒钢，只用锰、硅脱氧的钢为本质粗晶粒钢。沸腾钢一般为本质粗晶粒钢，镇静钢一般为本质细晶粒钢。需经热处理的工件一般都采用本质细晶粒钢。

4.影响奥氏体晶粒长大的因素

奥氏体晶粒长大是通过原子扩散进行的。晶界附近原子扩散、迁移使奥氏体晶粒长大，晶界总面积减小，使体系能量降低，因此高温下奥氏体晶粒长大是一个自发的过程。影响奥氏体晶粒大小的因素包括以下几个。

（1） 加热温度和保温时间。

奥氏体形成后，随着加热温度的升高，原子扩散加快，奥氏体晶粒易长大，保温时间长也易促使奥氏体晶粒长大。生产上必须严格控制加热温度，以防止加热温度过高而导致奥氏体晶粒粗化。

（2） 加热速度。

加热速度越快，过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，形核和长大速度越快，但加热温度高反而使奥氏体长大速度加快。因此快速加热、保温时间不宜过长，否则晶粒更粗大。生产上采用短时快速加热工艺是获得超细晶粒的重要手段之一。

（3） 钢的化学成分。

在一定含碳量范围内，随着奥氏体中含碳量的增加，奥氏体长大倾向也增大。当含碳量超过一定量后，奥氏体晶界存在未溶的残余渗碳体，阻碍了奥氏体晶粒长大，奥氏体的实际晶粒就会细小。

将合金元素加入钢中也会影响奥氏体晶粒长大。一般来说，凡能形成稳定化合物的元素（如钛、钒、钽、铌、锆、钨、钼、铬），形成不溶于奥氏体的氧化物及氮化物元素（如铝），促进石墨化的元素（如硅、镍、钴），以及在结构上自由存在的元素（如铜） 都会阻碍奥氏体晶粒长大； 而锰、磷则会加速奥氏体晶粒长大。

（4） 原始组织。

钢的原始组织越细，晶界面积越大，奥氏体起始晶粒越细小。在相同加热条件下，片状珠光体加热易粗化。

总之，为了控制奥氏体晶粒长大，要合理选择加热温度和保温时间，合理选择钢的原始组织以及加入一定量的合金元素。