奥氏体（钢铁的一种显微组织）

奥氏体

钢铁的一种显微组织

奥氏体（Austenite）也称为沃斯田铁或ɣ-Fe，是钢铁的一种显微组织，通常是ɣ-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体。奥氏体的名称是来自英国的冶金学家罗伯茨·奥斯汀（WilliamChandlerRoberts-Austen）。碳及各种化学元素在γ－Fe中形成的固溶体，古代铁匠打铁时烧红的铁块即处于奥氏体状态。铁素体在912°C至1394°C时会相变成奥氏体，由体心立方的结构变成面心立方。奥氏体强度较低，但其溶碳能力较大（1146°C时可以溶进2.04%的碳）。奥氏体系列的不锈钢常用于食品工业和外科手术器材。

简介

英文名称：austenite

晶体结构：面心立方（fcc）

字母代号：A、γ

定义：碳及各种化学元素在γ－Fe中形成的固溶体

微观表述：γ－Fe为面心立方晶体，其最大空隙为0.51×10－8cm，略小于碳原子半径，因而它的溶碳能力比α－Fe大，在1148℃时，γ－Fe最大溶碳量为2.11%，随着温度下降，溶碳能力逐渐减小，在727℃时其溶碳量为0.77%。

性能特点

奥氏体是一种塑性很好，强度较低的固溶体，具有一定韧性。不具有铁磁性。因此，分辨奥氏体不锈钢刀具(常见的18－8型不锈钢）的方法之一就是用磁铁来看刀具是否具有磁性。

古代铁匠打铁时烧红的铁块即处于奥氏体状态。

另外，奥氏体因为是面心立方，八面体间隙较大，可以容纳更多的碳。

命名

为纪念英国冶金学 家罗伯茨-奥斯汀 (1843～1902)对金属科学中的贡献而命名。

产生原因

碳溶解在γ铁中形成的一种间隙固溶体，呈面心立方结构，无磁性。奥氏体是一般钢在高温下的组织，其存在有一定的温度和成分范围。有些淬火钢能使部分奥氏体保留到室温，这种奥氏体称残留奥氏体。在合金钢中除碳之外，其他合金元素也可溶于奥氏体中，并扩大或缩小奥氏体稳定区的温度和成分范围。例如，加入锰和镍能将奥氏体临界转变温度降至室温以下，使钢在室温下保持奥氏体组织，即所谓奥氏体钢。

钢中特性

磁性：具有顺磁性，故可作为无磁钢。

比容：在钢的各种组织中，奥氏体的比容最小。

膨胀：奥氏体的线膨胀系数比铁素体和渗碳体的平均线膨胀系数高出约一倍。故也可被用来制作要求膨胀灵敏的元件。

导热性：除渗碳体外，奥氏体的导热性最差。为避免热应力引起的工件变形，不可采用过大的加热速度加热。

力学性能：具有较高的塑性、低的屈服强度，容易塑性变形加工成型。

面心立方点阵是一种最密排的点阵结构，致密度高，其中铁原子的自扩散激活能大，扩散系数小，从而使其热强性好。故奥氏体钢可作为高温用钢。

奥氏体的硬度一般是170~220HBS，延长率为40%~50%。

影响因素

转变速度的因素

1.加热温度

随加热温度的提高,奥氏体化速度加快。

2.加热速度

加热速度越快，发生转变的温度越高，转变所需的时间越长。

3.合金元素

钴、镍等加快奥氏体化过程；

铬、钼、钒等减慢奥氏体化过程；

硅、铝、锰等不影响奥氏体化过程。由于合金元素的扩散速度比碳慢得多，所以合金钢的热处理加热温度一般较高，保温时间更长。

4.原始组织

原始组织中渗碳体为片状时奥氏体形成速度快，且渗碳体间距越小，转变速度越快，同时奥氏体晶粒中碳浓度梯度也大，所以长大速度更快。

晶粒长大的因素

1.加热温度和保温时间

随加热温度升高晶粒将逐渐长大。温度愈高，或在一定温度下，保温时间越长，奥氏体晶粒也越粗大。

2.钢的成分

奥氏体中碳含量增高，晶粒长大倾向增大。

钢中加入钛、钒、铌、锆、铝等元素，有利于得到本质细晶粒钢，因为碳化物、氧化物和氮化物弥散分布在晶界上，能阻碍晶粒长大。

锰和磷促进晶粒长大。

3.合金元素

C%的影响：C%高，C在奥氏体中的扩散速度以及Fe的自扩散速度均增加，奥氏体晶粒长大倾向增加，但C%超过一定量时，由于形成Fe3CⅡ，阻碍奥氏体晶粒长大;

合金元素影响：强碳化物形成元素Ti、Zr、V、W、Nb等熔点较高，它们弥散分布在奥氏体中阻碍奥氏体晶粒长大；非碳化物形成元素Si、Ni等对奥氏体晶粒长大影响很小。

组织形貌

奥氏体一般由等轴状的多边形晶粒组成，晶粒内有孪晶。在加热转变刚刚结束时的奥氏体晶粒比较细小，晶粒边界呈不规则的弧形。经过一段时间加热或保温，晶粒将长大，晶粒边界可趋向平直化。铁碳相图中奥氏体是高温相，存在于临界点A1温度以上，是珠光体逆共析转变而成。当钢中加入足够多的扩大奥氏体相区的化学元素时，Ni,Mn等，则可使奥氏体稳定在室温，如奥氏体钢。

晶体结构

奥氏体为面心立方结构，碳氮等间隙原子均位于奥氏体晶胞八面体间隙中心，及面心立方晶胞的中心和棱边的中点。假如每一个八面体的中心各容纳一个碳原子，则碳的最大溶解度应为50%（摩尔分数），相当于质量分数约20%。实际上碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11%（质量分数），这是由于ˠ-Fe的八面体间隙的半径仅为0.052nm，比碳原子的半径0.086nm小。碳原子溶入将使八面体发生较大的膨胀，产生畸变，溶入越多，畸变越大，晶格将不稳定，因此不是所有的八面体间隙中心都能溶入一个碳原子，溶解度是有限的。碳原子溶入奥氏体中，使奥氏体晶格点阵发生均匀对等的膨胀，点阵常数随着碳含量的增加而增大。 大多数合金元素如Mn.Cr.Ni.Co.Si等，在ˠ-Fe中取代Fe原子的位置而形成置换固溶体。替换原子在奥氏体中的溶解度各不相同，有的可无限溶解，有的溶解度甚微。少数元素，如硼仅存在于浸提缺陷处，如晶界、位错等。

性质

 在真空工程中常用的不锈钢主要有奥氏体型不锈钢和马氏体型不锈钢两种类型。奥氏体型不锈钢中应用最多的牌号主要有0Crl8Ni9(304)、lCrl8Ni9Ti等，它们属于耐热、耐蚀无磁不锈钢，大量应用于真空室壳体、管路、阀体等；常用的马氏体型不锈钢主要有0Crl3、lCrl3、2Crl3、3Crl3等，主要用于具有较高韧性及受冲击负荷的零件，如耐蚀真空泵叶片、轴类、喷嘴、阀座、阀片等需要一定硬度及耐腐蚀的场合。

真空度在1.3×10-4Pa以上的高真空和超高真空系统中，最好选用奥氏体无磁不锈钢[例如lCrl8Ni9Ti，0Crl8Ni9(304)等]制造真空容器的壳体、管道或其它零部件。这种不锈钢具有优良的抗腐蚀性、放气率低、无磁性、焊接性好，其导电率及导率较低，能够在-270oC～900oC范围内工作。并具有高的强度、塑性及韧性。是目前金属超高真空系统中所应用的主要结构材料。

奥氏体不锈钢可以采用电弧焊、钎焊和氩弧焊的方法进行焊接加工。表3给出最常用的奥氏体型不锈钢(304型)的性质，304不锈钢与lCrl8Ni9Ti不锈钢的性质相近，其抗腐蚀性能非常好，蒸气压很低、导热率低，并且是非磁性的。这些性质使得奥氏体不锈钢成为超高真空室、工件架、支架、法兰、螺栓螺母及超高真空泵(离子泵、低温泵、吸附泵等)等最常用的材料。

不锈钢就其磁性而言，分为有磁性的和无磁性的。通常含有镍元素成份的都是无磁性的。应注意的是，不锈钢并非绝对非磁性的，而是导磁率很小。而且，冷加工能够增加不锈钢的导磁性。

当需要耐高温、抗腐蚀或需要热处理(淬火或调质等)时，如轴、阀盖、封口等，则采用2Crl3、3Crl3、4Crl3等马氏体不锈钢为宜。但此类不锈钢的防锈性能不如奥氏体不锈钢好。

常用的无磁性不锈钢的主要缺点是抗晶界间腐蚀不稳定，尤其是在焊接时，受热在450～750oC的地方，易在晶界上形成铬的碳化物而降低材料应有的气密性。试验证明：含铬18％～20％，含镍10％以下，含碳低于0.2％的不锈钢，经过1050～1150oC高温处理，可消除上述晶界间不稳定的缺点。

参考资料

1.奥氏体·真空技术网