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奧氏體（鋼鐵的一種層片狀的顯微組織）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-22

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奧氏體

鋼鐵的一種層片狀的顯微組織

奧氏體（Austenite）是鋼鐵的一種層片狀的顯微組織，通常是?-Fe中固溶少量碳的無磁性固溶體，也稱為沃斯田鐵或?-Fe。奧氏體的名稱是來自英國的冶金學(xué)家羅伯茨·奧斯?。╓illiam Chandler Roberts-Austen）。

奧氏體塑性很好，強(qiáng)度較低，具有一定韌性，不具有鐵磁性。奧氏體因?yàn)槭敲嫘牧⒎剑?/span>八面體間隙較大，可以容納更多的碳。

基本信息

中文名	奧氏體
外文名	Austenite
定義	C在γ-Fe中的固溶體
晶體結(jié)構(gòu)	面心立方（fcc）
最大碳含量	2.11%
字母代號(hào)	A、γ
導(dǎo)熱系數(shù)	14.6W/m·K
拼音	ào shì tǐ

收起

組成成分

奧氏體一般由等軸狀的多邊形晶粒組成，晶粒內(nèi)有孿晶。在加熱轉(zhuǎn)變剛剛結(jié)束時(shí)的奧氏體晶粒比較細(xì)小，晶粒邊界呈不規(guī)則的弧形。經(jīng)過一段時(shí)間加熱或保溫，晶粒將長大，晶粒邊界可趨向平直化。鐵碳相圖中奧氏體是高溫相，存在于臨界點(diǎn)A1溫度以上，是珠光體逆共析轉(zhuǎn)變而成。當(dāng)鋼中加入足夠多的擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的化學(xué)元素時(shí)，Ni、Mn等，則可使奧氏體穩(wěn)定在室溫，如奧氏體鋼。

鐵素體在912°C至1394°C時(shí)會(huì)相變成奧氏體，由體心立方的結(jié)構(gòu)變成面心立方。奧氏體強(qiáng)度較低，但其溶碳能力較大（1146°C時(shí)可以溶進(jìn)2.04%的碳）。奧氏體系列的不銹鋼常用于食品工業(yè)和外科手術(shù)器材。

晶體結(jié)構(gòu)

奧氏體為面心立方結(jié)構(gòu)，碳氮等間隙原子均位于奧氏體晶胞八面體間隙中心，及面心立方晶胞的中心和棱邊的中點(diǎn)。假如每一個(gè)八面體的中心各容納一個(gè)碳原子，則碳的最大溶解度應(yīng)為50%（摩爾分?jǐn)?shù)），相當(dāng)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)約20%。實(shí)際上碳在奧氏體中的最大溶解度為2.11%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），這是由于?-Fe的八面體間隙的半徑僅為0.052nm，比碳原子的半徑0.086nm小。碳原子溶入將使八面體發(fā)生較大的膨脹，產(chǎn)生畸變，溶入越多，畸變?cè)酱?，晶格將不穩(wěn)定，因此不是所有的八面體間隙中心都能溶入一個(gè)碳原子，溶解度是有限的。碳原子溶入奧氏體中，使奧氏體晶格點(diǎn)陣發(fā)生均勻?qū)Φ鹊呐蛎洠?/span>點(diǎn)陣常數(shù)隨著碳含量的增加而增大。大多數(shù)合金元素如Mn.Cr.Ni.Co.Si等，在?-Fe中取代Fe原子的位置而形成置換固溶體。替換原子在奧氏體中的溶解度各不相同，有的可無限溶解，有的溶解度甚微。少數(shù)元素，如硼僅存在于浸提缺陷處，如晶界、位錯(cuò)等。

主要性能

奧氏體是最密排的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，致密度高，故奧氏體的體積質(zhì)量比鋼中鐵素體、馬氏體等相的體積質(zhì)量小。因此，鋼被加熱到奧氏體相區(qū)時(shí)，體積收縮，冷卻時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體—珠光體等組織時(shí)，體積膨脹，容易引起內(nèi)應(yīng)力和變形。

奧氏體的點(diǎn)陣滑移系多，故奧氏體的塑性好，屈服強(qiáng)度低，易于加工塑性成形。因此，鋼錠，鋼坯，鋼材一般被加熱到1100?C以上奧氏體化，然后進(jìn)行鍛軋，塑性加工成材或加工成零部件。

一般鋼中的奧氏體具有順磁性，因此奧氏體鋼可以作為無磁性鋼。然而特殊成分的Fe—Ni軟磁合金，也具有奧氏體組織，卻具有鐵磁性。

奧氏體導(dǎo)熱性差，線膨脹系數(shù)大，比鐵素體和滲碳體的平均線性膨脹系數(shù)高約一倍。故奧氏體鋼可以用來制造熱膨脹靈敏的儀表元件。在碳素鋼中，鐵素體，珠光體，馬氏體，奧氏體和滲碳體的導(dǎo)熱系數(shù)分別為77.1,51.9,29.3,14.6和4.2?？梢?，除滲碳體外，奧氏體的導(dǎo)熱性最差，尤其是合金度較高的奧氏體鋼更差，所以，厚鋼件在熱處理過程中應(yīng)當(dāng)緩慢冷卻和加熱，以減少溫差熱應(yīng)力，避免開裂。

形成機(jī)理

共析鋼奧氏體冷卻到臨界點(diǎn)A1以下溫度時(shí)，存在共析反應(yīng)：A---F+Fe3C。加熱時(shí)發(fā)生逆共析反應(yīng)：F+Fe3C----A。逆共析轉(zhuǎn)變是高溫下進(jìn)行的擴(kuò)散性相變，轉(zhuǎn)變

奧氏體

的全過程可以分為四個(gè)階段，即：奧氏體形核，奧氏體晶核長大，剩余滲碳體溶解，奧氏體成分相對(duì)均勻化。各種鋼的奧氏體形核形成過程有一些區(qū)別，亞共析鋼，過共析鋼，合金鋼的奧氏體化過程中除了奧氏體形成的基本過程外，還有先共析相的溶解，合金碳化物的溶解等過程。

奧氏體形成的熱力學(xué)條件：必須存在過冷度或過熱度?T。

形核

奧氏體的形核位置通常在鐵素體和滲碳體兩相界面上，此外，珠光體領(lǐng)域的邊界，鐵素體嵌鑲塊邊界都可以成為奧氏體的形核地點(diǎn)。奧氏體的形成是不均勻形核，復(fù)合固態(tài)相變的一般規(guī)律。

一般認(rèn)為奧氏體在鐵素體和滲碳體交界面上形核。這是由于鐵素體碳含量極低（0.02%以下），而滲碳體的碳含量又很高（6.67%），奧氏體的碳含量介于兩者之間。在相界面上碳原子有吸附，含量較高，界面擴(kuò)散速度又較快，容易形成較大的濃度漲落，使相界面某一區(qū)域達(dá)到形成奧氏體晶核所需的碳含量；此外在界面上能量也較高，容易造成能量漲落，以便滿足形核功的要求；在兩相界面處原子排列不規(guī)則，容易滿足結(jié)構(gòu)漲落的要求。所有漲落在相界面處的優(yōu)勢(shì)，造成奧氏體晶核最容易在此處形成。

奧氏體的形核是擴(kuò)散型相變，可在鐵素體與滲碳體上形核，也可在珠光體領(lǐng)域的交界面上形核，還可以在原奧氏體晶核上形核。這些界面易于滿足形核的能量，結(jié)構(gòu)和濃度3個(gè)漲落條件。

晶核的長大

加熱到奧氏體相區(qū)，在高溫下，碳原子擴(kuò)散速度很快，鐵原子和替換原子均能夠充分?jǐn)U散，既能夠進(jìn)行界面擴(kuò)散，也能夠進(jìn)行體擴(kuò)散，因此奧氏體的形成是擴(kuò)散型相變。

剩余碳化物溶解

鐵素體消失后，在t1溫度下繼續(xù)保持或繼續(xù)加熱時(shí)，隨著碳在奧氏體中繼續(xù)擴(kuò)散，剩余滲碳體不斷向奧氏體中溶解。

成分均勻化

當(dāng)滲碳體剛剛?cè)咳谌電W氏體后，奧氏體內(nèi)碳濃度仍是不均勻的，只有經(jīng)歷長時(shí)間的保溫或繼續(xù)加熱，讓碳原子急性充分的擴(kuò)散才能獲得成分均勻的奧氏體。

影響因素

影響奧氏體形成速度的因素

1. 加熱溫度

隨加熱溫度的提高，原子擴(kuò)散速率急劇加快，使得奧氏體化速度大大增加，形成所需時(shí)間縮短。

2. 加熱速度

加熱速度越快，孕育期縮短，奧氏體開始轉(zhuǎn)變的溫度和轉(zhuǎn)變終了的溫度越高，轉(zhuǎn)變終了所需的時(shí)間越短。

3. 合金元素

鈷、鎳等加快奧氏體化過程；

鉻、鉬、釩等減慢奧氏體化過程；

硅、鋁、錳等不影響奧氏體化過程。由于合金元素的擴(kuò)散速度比碳慢得多，所以合金鋼的熱處理加熱溫度一般較高，保溫時(shí)間更長。

4. 原始組織

原始組織中滲碳體為片狀時(shí)奧氏體形成速度快，且滲碳體間距越小，轉(zhuǎn)變速度越快，同時(shí)奧氏體晶粒中碳濃度梯度也大，所以長大速度更快。球化退火態(tài)的粒狀珠光體，其相界面較少，因此奧氏體化最慢。

影響奧氏體晶粒長大的因素

1. 加熱溫度和保溫時(shí)間

由于奧氏體晶粒長大與原子擴(kuò)散有密切關(guān)系，所以隨著溫度愈高，或在一定溫度下，保溫時(shí)間越長，奧氏體晶粒也越粗大。

2.加熱速度

加熱溫度相同時(shí)，加熱速度越快，過熱度越大，奧氏體的實(shí)際形成溫度越高，形核率的增加大于長大速度，使奧氏體晶粒越細(xì)小。生產(chǎn)上常采用快速加熱短時(shí)保溫工藝來獲得超細(xì)化晶粒。

3.鋼的化學(xué)成分

在一定的含碳量范圍內(nèi)，奧氏體中碳含量增高，晶粒長大傾向增大。C%高，C在奧氏體中的擴(kuò)散速度以及Fe的自擴(kuò)散速度均增加，奧氏體晶粒長大傾向增加，但C%超過一定量時(shí)，由于形成Fe3CⅡ，阻礙奧氏體晶粒長大。

鋼中加入鈦、釩、鈮、鋯、鋁等元素，有利于得到本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，因?yàn)樘蓟铩⒀趸锖偷飶浬⒎植荚诰Ы缟?，能阻礙晶粒長大。

錳和磷促進(jìn)晶粒長大。

強(qiáng)碳化物形成元素Ti、Zr、V、W、Nb等熔點(diǎn)較高，它們彌散分布在奧氏體中阻礙奧氏體晶粒長大；非碳化物形成元素Si、Ni等對(duì)奧氏體晶粒長大影響很小。

4.原始組織

一般來說，鋼的原始組織越細(xì)，碳化物彌散度越大，則奧氏體晶粒越細(xì)小。

應(yīng)用領(lǐng)域

奧氏體不銹鋼是不銹鋼類中鋼種最多、使用量最大的一種（約占整個(gè)不銹鋼產(chǎn)量的65~70%）。最常用的奧氏體不銹鋼是Fe-Cr-Ni系合金（即美國的AISI300系）；Fe-Cr-Ni-Mn系（即美國AISI200系）；特殊奧氏體不銹鋼等三種。

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