2.2 ADI的等温转变热力学

ADI等温转变热力学研究的是球墨铸铁在奥氏体等温转变反应中铁素体和高碳奥氏体，即奥铁体形成的可能性。

关于球墨铸铁过冷奥氏体的分解有两种假定：一种是铁素体从奥氏体晶界形核、长大，并将碳扩散到周围的奥氏体中；另一种是铁素体无扩散形成。关于铁素体的形成过程是形核、长大还是无扩散共格转变尚有争议。但是，碳扩散至针状铁素体周围的奥氏体中，使奥氏体富碳则已经被证实。

图2-2所示为一定硅含量的Fe-C-Si介稳定相图和等温转变过程中的相自由能示意图。该示意图给出了α、γ和Fe ₃ C三种相的自由能曲线，介稳定γ/（α+γ）边界及其延伸线，等温温度 T _A 下的第一阶段反应驱动力Δ G （Ⅰ）和第二阶段反应驱动力Δ G （Ⅱ）。还示意给出了α相和γ相自由能曲线的公切线，这条公切线描述了α相和γ相之间的介稳平衡。介稳相高碳奥氏体的碳含量为 ，铁素体的碳含量很低（室温时仅为0.0008%）。当奥氏体化完成时，铸态基体组织转变为含碳均匀的奥氏体γ相。基体γ相的成分 由奥氏体化温度 T _γ 决定。在等温温度 T _A 下，成分为 的奥氏体的自由能为 A 点。在第一阶段反应过程中，奥氏体转变为针状铁素体和高碳奥氏体的介稳定平衡组织，随着奥氏体转变为铁素体和高碳奥氏体，系统的自由能下降，系统总碳量仍为 。当等温转变完成时，系统的自由能降至 B 点，等温转变开始和结束的自由能差 A-B =Δ G （Ⅰ）。介稳平衡组织为铁素体和高碳奥氏体的混合组织，即奥铁体，并且铁素体和奥氏体的相比率由杠杆定律决定。

密歇根大学的研究工作表明，奥氏体化温度从871℃提高到927℃时，奥氏体中平均碳含量增加0.157%。Stefors等人以及Voight和Loper的工作同样表明，奥氏体化温度提高56℃，奥氏体中碳含量分别增加0.18%和0.133%。

等温温度 T _A 下的稳定平衡组织是铁素体α和渗碳体Fe ₃ C。但是由于温度较低，原子的扩散能力很弱，铁原子不能扩散，碳原子扩散慢且范围有限，不利于长距离扩散和重组晶格形成碳化物，而球墨铸铁中含量较高的硅又抑制了碳化物的产生，反而有利于中间产物铁素体α和碳含量为 的高碳奥氏体的混合物，即奥铁体的形成。

在 T _A 下的第一阶段反应过程中，奥铁体形成的驱动力是Δ G （Ⅰ）。研究证明，第一阶段的反应速度正比于奥铁体中富碳奥氏体的碳含量 与基体奥氏体的碳含量 之差，即 ，因此正比于第一阶段反应的驱动力Δ G （Ⅰ）参数Δ C 表示在图2-2中，其大小由奥氏体化温度 T _γ 、奥氏体等温温度 T _A 、合金元素含量（因为合金元素含量影响相边界位置的碳含量）决定。高碳奥氏体经历第二阶段反应，即形成平衡碳化物的驱动力Δ G （Ⅱ），也表示在图2-2中。在温度低于500℃时，球墨铸铁中形成平衡产物的路径更曲折，而且每一步都比钢中奥氏体等温转变中直接转变为贝氏体的驱动力小；球墨铸铁中的碳原子在达到平衡组织前被重新分配了两次，而在钢中一次就可以达到平衡组织。奥氏体的高碳含量使奥氏体基体更稳定，阻止其形成马氏体（见图2-2），因此奥铁体可以保留下来作为可应用的微观组织，并具有相应的独特力学性能。

图2-3所示为Fe-C-Si相图、奥氏体等温温度 T _A 下奥氏体γ和铁素体α的自由能曲线以及奥氏体化温度对自由能的影响示意图。

由图2-3可知，随着奥氏体化温度的升高，基体的碳含量增加，奥铁体反应的驱动力减小，较高的奥氏体化温度 T _γ （Ⅰ）将使基体的平均碳含量增加至 C _γ （Ⅰ），降低Δ C ，从而减小奥铁体反应的驱动力Δ G _γ （Ⅰ），即Δ G _γ （Ⅰ）＜Δ G _γ （Ⅱ），减小程度正比于 -C _γ （ x ）。在给定的奥氏体等温温度下，奥铁体的反应速度将随奥氏体化温度的升高而减慢。另外，在给定的奥氏体化温度下，随着奥氏体等温温度的降低，富碳奥氏体碳含量增加，从效果上增大了奥铁体反应的驱动力（即介稳奥氏体碳含量增加，增大了铁素体形成的驱动力）。从自由能曲线的形状（二次曲线）可以合理地假定奥铁体反应的驱动力更精确地正比于 ，或者Δ C ² 。

合金元素也会影响奥氏体化温度下奥氏体的碳含量 和奥氏体等温温度下介稳平衡的奥氏体碳含量 。

硅对γ/［γ+G（石墨相）］边界和临界温度的影响如图2-4所示。众所周知，随着硅含量的增加，基体奥氏体的平衡碳含量减少，稳定的铁素体上临界温度升高。从效果上，奥铁体中富碳奥氏体的碳含量 和基体奥氏体的碳含量 之差Δ C 增大，从而增大了奥铁体反应的驱动力Δ G _γ （Ⅰ）。

锰对γ/［γ+G（石墨相）］边界和临界温度的影响与硅相反，随着锰含量的增加，基体奥氏体的平衡碳含量增加，铁素体形成的上临界温度降低，如图2-5所示。Δ C 减小，从而减小了奥铁体反应的驱动力Δ G _γ （Ⅰ）。