基于离异共析的轴承钢快速球化的热力学模型解析

姜荃　尹志新

摘 要：离异共析是指钢在共析反应中碳化物依附在原有渗碳体颗粒上非均匀形核并长大成球状颗粒，而铁素体则向奥氏体生长得到等轴晶粒。文章探讨了促发离异共析反应的因素，依据固态相变理论，建立碳化物长大的热力学模型，并讨论了过冷度对反应的影响。

关键词：轴承钢；离异共析；快速球化退火

球化退火是轴承钢的一道重要的热处理工序，良好的球化组织可使钢的淬火效果均一，从而减少淬火变形，提高淬火硬度，改变工件切削性能，提高轴承的耐磨性。传统的球化退火工艺往往需要很长的保温时间，这极大的使生产效率降低，消耗大量能源。由此可见，研发轴承钢快速球化退火工艺就显得十分必要。离异共析转变原理是实现轴承钢快速球化的理论依据。

1 离异共析转变描述

离异共析转变原理是实现轴承钢快速球化的理论依据。一般情况下，过冷奥氏体分解远离平衡态，因此就会出现碳浓度的涨落，奥氏体中就会出现贫碳区和富碳区，在贫碳区中形成铁素体，而在富碳区析出渗碳体或碳化物，这种共析共生，是其相互作用的结果。铁素体和渗碳体两相相互激发形核以及随后的合作协调及匹配的长大，最终得到片状珠光体组织。而离异共析转变是指在一定过冷度和冷却速度下，得到弥散分布在铁素体基体上的碳化物颗粒，而非片状珠光体组织。

研究表明，要实现离异共析转变需满足两个条件：一是适当的加热温度以保证奥氏体的不均匀性，使奥氏体中存在大量未溶碳化物，这将是碳化物成球状析出的形核核心；二是冷却速度一定要缓慢，以便使得碳化物成球状长大，而非片状析出。

以GCr15轴承钢为例，当有大量的不均匀奥氏体和残余碳化物，在经过一定过冷度后保温，通过冷却奥氏体分解成奥氏体和渗碳体的亚稳定相，并且析出渗碳体相并附着在周围的残余碳化物上，从而使碳化物长大，使得部分地区浓度得以平衡；而芯部的不均匀奥氏体的碳浓度很低，非常容易形核铁素体相，这就增加了碳原子的有效扩散距离，并使得铁素体和渗碳体相相向长大。

2 离异共析转变热力学模型和过冷度分析

2.1 热力学模型。共析转变属于扩散性相变，畸变能非常小，因此忽略共析转变的畸变能。相变过程中，相变驱动力：

ΔG=ΔG∞/β+ΔGd+ΔGm （1）

ΔG为相变过程中的两相自由能差，在这里即珠光体与奥氏体的自由能差，ΔG∞/β为界面能增量，ΔGd为碳原子扩散所需能量，ΔGm为界面迁徙所需要能量。

由于离异共析转变所发生温度在A1温度稍下范围，过冷度较低，相变的驱动力主要消耗在θ/α界面的形成和碳原子扩散上，而对界面迁徙所需要的能量，由于其很小，则忽略。

ΔG=ΔG∞/β+ΔGd （2）

对于片层珠光体组织，单位渗碳体形成表面所增加的表面能

ΔGα/β Lam= （3）

σ1为片层珠光体中铁素体与渗碳体的界面能。K为过冷奥氏体生成的珠光体中碳化物所占的体积分数。So=×10-4（cm/K），为珠光体的片层间距。

奥氏体过冷，碳化物析出，由于碳化物与奥氏体间是非共格界面，设A为界面面积，σ为球状碳化物与铁素体之间的界面能，并忽略畸变能的影响。在球化长大过程中，碳化物颗粒半径从r1长大到r2，其颗粒体积增加π（r22-r21），表面积增加4π（r22-r21）。因此，粒状碳化物（用ΔGα/β Deg表示）析出单位摩尔碳化物所增加的a/β界面能为：

ΔGα/β Deg= （4）

本模型认为在离异共析转变过程中，不会有新核心生成。其中r1与r2的颗粒半径关系为：

（5）

其中，V0为不均匀奥氏体化后剩余碳化物的体积分数，Vt为轴承钢中碳化物完全析出时的体积分数，σ为求状碳化物与铁素体之间的界面能。

有5式可得：

r2= （6）

2.2 过冷度分析。球化过程过冷度也是一个必须要讨论的影响因素，过冷度较大，球化效果不明显，过冷度较小则球化时间很长，因此探讨基于离异共析反应的最优过冷度就显得很必要。过冷度的确定取决于奥氏体化的程度，即一定的奥氏体化条件，要实现完全球化，就必须要有一个最优过冷度ΔTL，当实际过冷度大于最优过冷度时，按照正常共析分解成片状珠光体；如果小于临界过冷度，则按照离异共析分解。

由2式有：

ΔG-ΔG∞/β=ΔGd （7）

将3式、4式带入7式，得：

ΔTL= （8）

参考式6，得：

ΔTL= （9）

式中，ΔTL-临界过冷度，K-过冷奥氏体生成珠光体中碳化物所占体积分数，σ-求状碳化物与铁素体见的界面能，σ1-片状珠光体铁素体渗碳体的界面能，Vt-轴承钢中碳化物的体积分数，V0-未溶碳化物的体积分数，r2-奥氏体化后剩余碳化物的颗粒半径。

通过上述公式可以看出，球化退火过程中，最优过冷度的确定主要是根据奥氏体化的未溶碳化物体积分数以及奥氏体化后剩余碳化物的颗粒半径而确定的，这与加热温度是相辅相成的。

3 结论

3.1 依据固态相变理论，讨论了共析反应和离异共析反应机理的相变机制。

3.2 根据热力学知识，探讨了离异共析反应的热力学模型和最优过冷度，表明奥氏体化时剩余碳化物的体积分数与颗粒半径是决定最优过冷度的主要因素。

参考文献

[1] Verhoeven J D.The role of the divorced eutectoid transformation in the spheroidization of 52100 steel[J].Metall Mater Trans A，2000（10）： 2431-438.

[2] 马宝国，杨洪波，朱伏先等.GCr15轴承钢中渗碳体的奥氏体化行为研究[J].热加工工艺，2009（20）：5-8.

[3] 徐耀祖.相变原理[M].科学出版社，1988.

[4] 陈其伟，关建辉，朱国辉等.GCr15钢快速球化中离异共析转变临界过冷度的物理模型[J].材料热处理学报，2013，3..

摘 要：离异共析是指钢在共析反应中碳化物依附在原有渗碳体颗粒上非均匀形核并长大成球状颗粒，而铁素体则向奥氏体生长得到等轴晶粒。文章探讨了促发离异共析反应的因素，依据固态相变理论，建立碳化物长大的热力学模型，并讨论了过冷度对反应的影响。

关键词：轴承钢；离异共析；快速球化退火

球化退火是轴承钢的一道重要的热处理工序，良好的球化组织可使钢的淬火效果均一，从而减少淬火变形，提高淬火硬度，改变工件切削性能，提高轴承的耐磨性。传统的球化退火工艺往往需要很长的保温时间，这极大的使生产效率降低，消耗大量能源。由此可见，研发轴承钢快速球化退火工艺就显得十分必要。离异共析转变原理是实现轴承钢快速球化的理论依据。

1 离异共析转变描述

离异共析转变原理是实现轴承钢快速球化的理论依据。一般情况下，过冷奥氏体分解远离平衡态，因此就会出现碳浓度的涨落，奥氏体中就会出现贫碳区和富碳区，在贫碳区中形成铁素体，而在富碳区析出渗碳体或碳化物，这种共析共生，是其相互作用的结果。铁素体和渗碳体两相相互激发形核以及随后的合作协调及匹配的长大，最终得到片状珠光体组织。而离异共析转变是指在一定过冷度和冷却速度下，得到弥散分布在铁素体基体上的碳化物颗粒，而非片状珠光体组织。

研究表明，要实现离异共析转变需满足两个条件：一是适当的加热温度以保证奥氏体的不均匀性，使奥氏体中存在大量未溶碳化物，这将是碳化物成球状析出的形核核心；二是冷却速度一定要缓慢，以便使得碳化物成球状长大，而非片状析出。

以GCr15轴承钢为例，当有大量的不均匀奥氏体和残余碳化物，在经过一定过冷度后保温，通过冷却奥氏体分解成奥氏体和渗碳体的亚稳定相，并且析出渗碳体相并附着在周围的残余碳化物上，从而使碳化物长大，使得部分地区浓度得以平衡；而芯部的不均匀奥氏体的碳浓度很低，非常容易形核铁素体相，这就增加了碳原子的有效扩散距离，并使得铁素体和渗碳体相相向长大。

2 离异共析转变热力学模型和过冷度分析

2.1 热力学模型。共析转变属于扩散性相变，畸变能非常小，因此忽略共析转变的畸变能。相变过程中，相变驱动力：

ΔG=ΔG∞/β+ΔGd+ΔGm （1）

ΔG为相变过程中的两相自由能差，在这里即珠光体与奥氏体的自由能差，ΔG∞/β为界面能增量，ΔGd为碳原子扩散所需能量，ΔGm为界面迁徙所需要能量。

由于离异共析转变所发生温度在A1温度稍下范围，过冷度较低，相变的驱动力主要消耗在θ/α界面的形成和碳原子扩散上，而对界面迁徙所需要的能量，由于其很小，则忽略。

ΔG=ΔG∞/β+ΔGd （2）

对于片层珠光体组织，单位渗碳体形成表面所增加的表面能

ΔGα/β Lam= （3）

σ1为片层珠光体中铁素体与渗碳体的界面能。K为过冷奥氏体生成的珠光体中碳化物所占的体积分数。So=×10-4（cm/K），为珠光体的片层间距。

奥氏体过冷，碳化物析出，由于碳化物与奥氏体间是非共格界面，设A为界面面积，σ为球状碳化物与铁素体之间的界面能，并忽略畸变能的影响。在球化长大过程中，碳化物颗粒半径从r1长大到r2，其颗粒体积增加π（r22-r21），表面积增加4π（r22-r21）。因此，粒状碳化物（用ΔGα/β Deg表示）析出单位摩尔碳化物所增加的a/β界面能为：

ΔGα/β Deg= （4）

本模型认为在离异共析转变过程中，不会有新核心生成。其中r1与r2的颗粒半径关系为：

（5）

其中，V0为不均匀奥氏体化后剩余碳化物的体积分数，Vt为轴承钢中碳化物完全析出时的体积分数，σ为求状碳化物与铁素体之间的界面能。

有5式可得：

r2= （6）

2.2 过冷度分析。球化过程过冷度也是一个必须要讨论的影响因素，过冷度较大，球化效果不明显，过冷度较小则球化时间很长，因此探讨基于离异共析反应的最优过冷度就显得很必要。过冷度的确定取决于奥氏体化的程度，即一定的奥氏体化条件，要实现完全球化，就必须要有一个最优过冷度ΔTL，当实际过冷度大于最优过冷度时，按照正常共析分解成片状珠光体；如果小于临界过冷度，则按照离异共析分解。

由2式有：

ΔG-ΔG∞/β=ΔGd （7）

将3式、4式带入7式，得：

ΔTL= （8）

参考式6，得：

ΔTL= （9）

式中，ΔTL-临界过冷度，K-过冷奥氏体生成珠光体中碳化物所占体积分数，σ-求状碳化物与铁素体见的界面能，σ1-片状珠光体铁素体渗碳体的界面能，Vt-轴承钢中碳化物的体积分数，V0-未溶碳化物的体积分数，r2-奥氏体化后剩余碳化物的颗粒半径。

通过上述公式可以看出，球化退火过程中，最优过冷度的确定主要是根据奥氏体化的未溶碳化物体积分数以及奥氏体化后剩余碳化物的颗粒半径而确定的，这与加热温度是相辅相成的。

3 结论

3.1 依据固态相变理论，讨论了共析反应和离异共析反应机理的相变机制。

3.2 根据热力学知识，探讨了离异共析反应的热力学模型和最优过冷度，表明奥氏体化时剩余碳化物的体积分数与颗粒半径是决定最优过冷度的主要因素。

参考文献

[1] Verhoeven J D.The role of the divorced eutectoid transformation in the spheroidization of 52100 steel[J].Metall Mater Trans A，2000（10）： 2431-438.

[2] 马宝国，杨洪波，朱伏先等.GCr15轴承钢中渗碳体的奥氏体化行为研究[J].热加工工艺，2009（20）：5-8.

[3] 徐耀祖.相变原理[M].科学出版社，1988.

[4] 陈其伟，关建辉，朱国辉等.GCr15钢快速球化中离异共析转变临界过冷度的物理模型[J].材料热处理学报，2013，3..

摘 要：离异共析是指钢在共析反应中碳化物依附在原有渗碳体颗粒上非均匀形核并长大成球状颗粒，而铁素体则向奥氏体生长得到等轴晶粒。文章探讨了促发离异共析反应的因素，依据固态相变理论，建立碳化物长大的热力学模型，并讨论了过冷度对反应的影响。

关键词：轴承钢；离异共析；快速球化退火

球化退火是轴承钢的一道重要的热处理工序，良好的球化组织可使钢的淬火效果均一，从而减少淬火变形，提高淬火硬度，改变工件切削性能，提高轴承的耐磨性。传统的球化退火工艺往往需要很长的保温时间，这极大的使生产效率降低，消耗大量能源。由此可见，研发轴承钢快速球化退火工艺就显得十分必要。离异共析转变原理是实现轴承钢快速球化的理论依据。

1 离异共析转变描述

离异共析转变原理是实现轴承钢快速球化的理论依据。一般情况下，过冷奥氏体分解远离平衡态，因此就会出现碳浓度的涨落，奥氏体中就会出现贫碳区和富碳区，在贫碳区中形成铁素体，而在富碳区析出渗碳体或碳化物，这种共析共生，是其相互作用的结果。铁素体和渗碳体两相相互激发形核以及随后的合作协调及匹配的长大，最终得到片状珠光体组织。而离异共析转变是指在一定过冷度和冷却速度下，得到弥散分布在铁素体基体上的碳化物颗粒，而非片状珠光体组织。

研究表明，要实现离异共析转变需满足两个条件：一是适当的加热温度以保证奥氏体的不均匀性，使奥氏体中存在大量未溶碳化物，这将是碳化物成球状析出的形核核心；二是冷却速度一定要缓慢，以便使得碳化物成球状长大，而非片状析出。

以GCr15轴承钢为例，当有大量的不均匀奥氏体和残余碳化物，在经过一定过冷度后保温，通过冷却奥氏体分解成奥氏体和渗碳体的亚稳定相，并且析出渗碳体相并附着在周围的残余碳化物上，从而使碳化物长大，使得部分地区浓度得以平衡；而芯部的不均匀奥氏体的碳浓度很低，非常容易形核铁素体相，这就增加了碳原子的有效扩散距离，并使得铁素体和渗碳体相相向长大。

2 离异共析转变热力学模型和过冷度分析

2.1 热力学模型。共析转变属于扩散性相变，畸变能非常小，因此忽略共析转变的畸变能。相变过程中，相变驱动力：

ΔG=ΔG∞/β+ΔGd+ΔGm （1）

ΔG为相变过程中的两相自由能差，在这里即珠光体与奥氏体的自由能差，ΔG∞/β为界面能增量，ΔGd为碳原子扩散所需能量，ΔGm为界面迁徙所需要能量。

由于离异共析转变所发生温度在A1温度稍下范围，过冷度较低，相变的驱动力主要消耗在θ/α界面的形成和碳原子扩散上，而对界面迁徙所需要的能量，由于其很小，则忽略。

ΔG=ΔG∞/β+ΔGd （2）

对于片层珠光体组织，单位渗碳体形成表面所增加的表面能

ΔGα/β Lam= （3）

σ1为片层珠光体中铁素体与渗碳体的界面能。K为过冷奥氏体生成的珠光体中碳化物所占的体积分数。So=×10-4（cm/K），为珠光体的片层间距。

奥氏体过冷，碳化物析出，由于碳化物与奥氏体间是非共格界面，设A为界面面积，σ为球状碳化物与铁素体之间的界面能，并忽略畸变能的影响。在球化长大过程中，碳化物颗粒半径从r1长大到r2，其颗粒体积增加π（r22-r21），表面积增加4π（r22-r21）。因此，粒状碳化物（用ΔGα/β Deg表示）析出单位摩尔碳化物所增加的a/β界面能为：

ΔGα/β Deg= （4）

本模型认为在离异共析转变过程中，不会有新核心生成。其中r1与r2的颗粒半径关系为：

（5）

其中，V0为不均匀奥氏体化后剩余碳化物的体积分数，Vt为轴承钢中碳化物完全析出时的体积分数，σ为求状碳化物与铁素体之间的界面能。

有5式可得：

r2= （6）

2.2 过冷度分析。球化过程过冷度也是一个必须要讨论的影响因素，过冷度较大，球化效果不明显，过冷度较小则球化时间很长，因此探讨基于离异共析反应的最优过冷度就显得很必要。过冷度的确定取决于奥氏体化的程度，即一定的奥氏体化条件，要实现完全球化，就必须要有一个最优过冷度ΔTL，当实际过冷度大于最优过冷度时，按照正常共析分解成片状珠光体；如果小于临界过冷度，则按照离异共析分解。

由2式有：

ΔG-ΔG∞/β=ΔGd （7）

将3式、4式带入7式，得：

ΔTL= （8）

参考式6，得：

ΔTL= （9）

式中，ΔTL-临界过冷度，K-过冷奥氏体生成珠光体中碳化物所占体积分数，σ-求状碳化物与铁素体见的界面能，σ1-片状珠光体铁素体渗碳体的界面能，Vt-轴承钢中碳化物的体积分数，V0-未溶碳化物的体积分数，r2-奥氏体化后剩余碳化物的颗粒半径。

通过上述公式可以看出，球化退火过程中，最优过冷度的确定主要是根据奥氏体化的未溶碳化物体积分数以及奥氏体化后剩余碳化物的颗粒半径而确定的，这与加热温度是相辅相成的。

3 结论

3.1 依据固态相变理论，讨论了共析反应和离异共析反应机理的相变机制。

3.2 根据热力学知识，探讨了离异共析反应的热力学模型和最优过冷度，表明奥氏体化时剩余碳化物的体积分数与颗粒半径是决定最优过冷度的主要因素。

参考文献

[1] Verhoeven J D.The role of the divorced eutectoid transformation in the spheroidization of 52100 steel[J].Metall Mater Trans A，2000（10）： 2431-438.

[2] 马宝国，杨洪波，朱伏先等.GCr15轴承钢中渗碳体的奥氏体化行为研究[J].热加工工艺，2009（20）：5-8.

[3] 徐耀祖.相变原理[M].科学出版社，1988.

[4] 陈其伟，关建辉，朱国辉等.GCr15钢快速球化中离异共析转变临界过冷度的物理模型[J].材料热处理学报，2013，3..