影响奥氏体形核率和线生长速度的因素都会影响奥氏体的形成速度,如加热温度、钢的原始组织和化学成分等
(1)加热温度的影响。由于奥氏体的形成过程受碳在奥氏体中的扩散所控制,故随温度升高,相变驱动力增大,C原子扩散速度加快,奥氏体形核率N及线生长速度v均大大增加,因此奥氏体形成速度也随加热温度升高而迅速增大。
由图2-34可见奥氏体形成温度越高,转变的孕育期越短,转变完成所需时间也越短随奥氏体形成温度升高,形核率的增长速率高于线生长速度的增长速率。转变温度从740℃提高到800℃时,形核率增加270倍,而线生长速度只增加80倍。因此,奥氏体形成温度越高,所得起始晶粒也越细小。同时,随转变温度升高,奥氏体/铁素体界面向铁素体推移的速度与奥氏体/渗碳体界面向渗碳体推移的速度之比也增大。例如奥氏体形成温度为780℃时,二者之比约为14.8,而当奥氏体形成温度升高至800℃时,由式(2-35)计算得二者之比增大到19.1。因此,随奥氏体形成温度升高,铁素体消失时残留渗碳体的量增大,奥氏体的平均碳含量降低综上所述,随奥氏体形成温度的升高,由于形核率的增长速率高于线生长速度的增长速率,导致奥氏体起始晶粒细化。同时,由于相变温度升高,相变的不平衡程度增大,在铁素体消失的瞬间,残留渗碳体量增多,因而奧氏体的平均碳含量降低。这两个因素均有利于改善淬火钢的韧性,尤其是对高碳工具钢更有重要的实际意义,由此发展了快速加热、短时保温等强韧化处理新工艺
(2)钢的碳含量和原始组织的影响。钢中碳含量越高,奥氏体形成速度越快。因为钢中碳含量增加时,碳化物数量增多,增加了铁素体/渗碳体相界面,因而增加了奥氏体形核部位,使形核率增大。同时,碳化物数量增加后,使C的扩散距离减小。另外,C和Fe原子的扩散系数也增大,这些因素都将加快奥氏体的形成。但在过共析钢中,由于碳化物数量过多,随碳含量增加,也会引起残留碳化物溶解和奥氏体均匀化时间的延长。在钢的成分相同的情况下,原始组织中的碳化物的分散度越高,则铁素体/渗碳体相界面越大,形核率便越大。同时,碳化物分散度高时,珠光体片层间距减小,奥氏体中C的浓度梯度增大,使扩散速度加快。因此,钢的原始组织越细,奧氏体形成速度越快。例如,奥氏体形成温度为760℃时,若珠光体的片层间距从0.5m减至0.1m时,奥氏体的线生长速度约增加7倍。所以,钢的原始组织为托氏体时,其奥氏体形成速度比索氏体和珠光体都快。原始组织中碳化物的形状对奥氏体形成速度也有一定的影响。片状珠光体与粒状珠光体相比,由于片状珠光体中的渗碳体呈薄片状,相界面大,所以加热时奥氏体形核率高。
(3)合金元素的影响。合金元素不影响珠光体向奥氏体转变的机制,但影响碳化物的稳定性及C在奥氏体中的扩散系数,且许多合金元素在碳化物与基体之间的分配是不同的所以合金元素的存在会影响奥氏体的形成速度以及碳化物溶解和奥氏体均匀化的速度。强碳化物形成元素Cr、Mo、W等可降低C在奥氏体中的扩散系数,因而显著减慢奥氏体形成速度。非碳化物形成元素Co和Ni等可增大C在奥氏体中的扩散系数(钢中加入co4%约使C在奥氏体中的扩散系数增加一倍),加速奥氏体的形成。Si和A1对C在奥氏体中的扩散影响不大,因此对奥氏体形成速度无显著影响。合金元素可以改变临界点A1、A2、Am等的位置,并使之扩大为一个温度范围,因而改变了相变时的过热度,从而影响了奥氏体形成速度。如Ni、Mn、Cu等降低A1点,相对地增大了过热度,提高了奥氏体的形成速度。Cr、Mo、Ti、Si、Al、W、V等提高A1点,相对地降低了过热度,所以减慢了奥氏体的形成速度此外,钢中加入合金元素还可以影响珠光体片层间距,改变C在奥氏体中的溶解度从而影响相界面的浓度差及C在奥氏体中的浓度梯度以及形核功等,这些都会影响奥氏体的形成速度。
合金元素在钢中的分布是不均匀的,弱碳化物形成元素主要分布在Fe3C中,如M非碳化物形成元素主要分布在a相中,如Ni、Si;强碳化物形成元素主要分布在特殊碳化物中,如Mo、W、V、Ti等。钢中c为1%时,退火状态下碳化物中c约为5%,而aFe中c仅为0.5%,可见Cr主要集中在碳化物中。钢中N为4%时,在退火状态下碳化物中N仅为1%,大部分存在于固溶体中。合金元素在铜中分布的不均匀性,即使在碳化物完全溶解后也还存在。因此,合金钢的奥氏体均匀化过程,除C的均匀化以外,还包括了含金元素的均匀化。由于合金元素的扩散系数仅相当于碳的1/1000~1/1000,同时,碳化物形成元素还降低C在奥氏体中的扩散系数,故VC、TiC等特殊碳化物更难于溶解。因此,合金钢奥氏体均匀化过程要比碳钢长得多。鉴于这些原因,为了使合金钢奥氏体成分均匀化,需要加热到较高的温度和保温较长的时间。