2.2.2　奧氏體形成的熱力學條件

由Fe-Fe₃C相圖（圖2-26）可知，在A₁以下，碳鋼的平衡相為鐵素體和滲碳體。當溫度超過A₁后，由兩相組成的珠光體將轉變為單相奧氏體。隨著溫度繼續升高，亞共析鋼中的過剩相——鐵素體將不斷轉變為奧氏體，而過共析鋼中的過剩相——滲碳體也將不斷溶入奧氏體，此時，奧氏體的化學成分分別沿GS和ES曲線變化。當溫度升高到GSE線以上時，都將得到單相奧氏體。

圖2-26　Fe-Fe₃C相圖

銅加熱轉變時的相變驅動力是新相奧氏體與母相之間的體積自由能差ΔG_V。按固態相變形核理論，奧氏體形核時，系統的自由能變化為：

　　（2-32）

式中，V為新相（奧氏體）的體積；S為新相表面積；γ為單位面積界面能；ΔG_S為應變能。因為奧氏體在高溫下形成，應變能較小，因此相變的阻力主要是界面能。圖2-27示出了共析鋼奧氏體和珠光體的體積自由能隨溫度的變化曲線，它們交于A₁點（727℃）。當溫度等于727℃時，珠光體和奧氏體自由能相等，相變不會發生。當溫度高于A₁時，ΔG_V為負值，即式（2-32）右側第一項為負值，這時才有可能發生相變，珠光體將轉變為奧氏體；反之奧氏體將轉變為珠光體，亦即相變必須在有過熱（過冷）的條件下才能進行。

圖2-27　珠光體（P）和奧氏體（γ）自由能和溫度的關系示意圖

加熱（冷卻）速度越大，過熱（過冷）程度也越大。這就使加熱和冷卻時發生轉變的溫度（即臨界點）不在同一溫度。通常給加熱時的臨界點加腳標c，如A_c1、A_c3、A_ccm等；而給冷卻時的臨界點加腳標r，如A_r1、A_r3、A_rcm等。圖2-28示出在加熱速度和冷卻速度均為0.125℃/min時的臨界點。

圖2-28　加熱速度和冷卻速度為0.125℃/min時， Fe-Fe₃C相圖中的臨界點