奧氏體

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

奧氏體塑性很好，強度較低，具有一定韌性，不具有鐵磁性。奧氏體因為是面心立方，八面體間隙較大，可以容納更多的碳。

基本介紹

• 中文名：奧氏體
• 外文名：Austenite
• 定義：C在γ-Fe中的固溶體
• 最大碳含量：2.11%
• 導熱係數：14.6W/m·K
• 字母代號：A、γ
• 晶體結構：面心立方（fcc）

組成成分

奧氏體一般由等軸狀的多邊形晶粒組成，晶粒內有孿晶。在加熱轉變剛剛結束時的奧氏體晶粒比較細小，晶粒邊界呈不規則的弧形。經過一段時間加熱或保溫，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，存在於臨界點A1溫度以上，是珠光體逆共析轉變而成。當鋼中加入足夠多的擴大奧氏體相區的化學元素時，Ni、Mn等，則可使奧氏體穩定在室溫，如奧氏體鋼。

鐵素體在912°C至1394°C時會相變成奧氏體，由體心立方的結構變成面心立方。奧氏體強度較低，但其溶碳能力較大（1146°C時可以溶進2.04%的碳）。奧氏體系列的不鏽鋼常用於食品工業和外科手術器材。

晶體結構

奧氏體為面心立方結構，碳氮等間隙原子均位於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。假如每一個八面體的中心各容納一個碳原子，則碳的最大溶解度應為50%（摩爾分數），相當於質量分數約20%。實際上碳在奧氏體中的最大溶解度為2.11%（質量分數），這是由於ˠ-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生較大的膨脹，產生畸變，溶入越多，畸變越大，晶格將不穩定，因此不是所有的八面體間隙中心都能溶入一個碳原子，溶解度是有限的。碳原子溶入奧氏體中，使奧氏體晶格點陣發生均勻對等的膨脹，點陣常數隨著碳含量的增加而增大。 大多數合金元素如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。少數元素，如硼僅存在於浸提缺陷處，如晶界、位錯等。

主要性能

奧氏體是最密排的點陣結構，緻密度高，故奧氏體的體積質量比鋼中鐵素體、馬氏體等相的體積質量小。因此，鋼被加熱到奧氏體相區時，體積收縮，冷卻時，奧氏體轉變為鐵素體—珠光體等組織時，體積膨脹，容易引起內應力和變形。
奧氏體的點陣滑移系多，故奧氏體的塑性好，屈服強度低，易於加工塑性成形。因此，鋼錠，鋼坯，鋼材一般被加熱到1100˚C以上奧氏體化，然後進行鍛軋，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。
奧氏體導熱性差，線膨脹係數大，比鐵素體和滲碳體的平均線性膨脹係數高約一倍。故奧氏體鋼可以用來製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熱係數分別為77.1,51.9,29.3,14.6和4.2。可見，除滲碳體外，奧氏體的導熱性最差，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當緩慢冷卻和加熱，以減少溫差熱應力，避免開裂。

形成機理

共析鋼奧氏體冷卻到臨界點A1以下溫度時，存在共析反應：A---F+Fe3C。加熱時發生逆共析反應：F+Fe3C----A。逆共析轉變是高溫下進行的擴散性相變，轉變的全過程可以分為四個階段，即：奧氏體形核，奧氏體晶核長大，剩餘滲碳體溶解，奧氏體成分相對均勻化。各種鋼的奧氏體形核形成過程有一些區別，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條件：必須存在過冷度或過熱度∆T。

奧氏體形核

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。奧氏體的形成是不均勻形核，複合固態相變的一般規律。
一般認為奧氏體在鐵素體和滲碳體交界面上形核。這是由於鐵素體碳含量極低（0.02%以下），而滲碳體的碳含量又很高（6.67%），奧氏體的碳含量介於兩者之間。在相界面上碳原子有吸附，含量較高，界面擴散速度又較快，容易形成較大的濃度漲落，使相界面某一區域達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則，容易滿足結構漲落的要求。所有漲落在相界面處的優勢，造成奧氏體晶核最容易在此處形成。

奧氏體的形核是擴散型相變，可在鐵素體與滲碳體上形核，也可在珠光體領域的交界面上形核，還可以在原奧氏體晶核上形核。這些界面易於滿足形核的能量，結構和濃度3個漲落條件。

奧氏體晶核的長大

加熱到奧氏體相區，在高溫下，碳原子擴散速度很快，鐵原子和替換原子均能夠充分擴散，既能夠進行界面擴散，也能夠進行體擴散，因此奧氏體的形成是擴散型相變。

剩餘碳化物溶解

鐵素體消失後，在t1溫度下繼續保持或繼續加熱時，隨著碳在奧氏體中繼續擴散，剩餘滲碳體不斷向奧氏體中溶解。

奧氏體成分均勻化

當滲碳體剛剛全部融入奧氏體後，奧氏體內碳濃度仍是不均勻的，只有經歷長時間的保溫或繼續加熱，讓碳原子急性充分的擴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，原子擴散速率急劇加快，使得奧氏體化速度大大增加，形成所需時間縮短。
2. 加熱速度
加熱速度越快，孕育期縮短，奧氏體開始轉變的溫度和轉變終了的溫度越高，轉變終了所需的時間越短。
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；
矽、鋁、錳等不影響奧氏體化過程。由於合金元素的擴散速度比碳慢得多，所以合金鋼的熱處理加熱溫度一般較高，保溫時間更長。
4. 原始組織
原始組織中滲碳體為片狀時奧氏體形成速度快，且滲碳體間距越小，轉變速度越快，同時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. 加熱溫度和保溫時間
由於奧氏體晶粒長大與原子擴散有密切關係，所以隨著溫度愈高，或在一定溫度下，保溫時間越長，奧氏體晶粒也越粗大。

2.加熱速度

加熱溫度相同時，加熱速度越快，過熱度越大，奧氏體的實際形成溫度越高，形核率的增加大於長大速度，使奧氏體晶粒越細小。生產上常採用快速加熱短時保溫工藝來獲得超細化晶粒。
3.鋼的化學成分
在一定的含碳量範圍內，奧氏體中碳含量增高，晶粒長大傾向增大。C%高，C在奧氏體中的擴散速度以及Fe的自擴散速度均增加，奧氏體晶粒長大傾向增加，但C%超過一定量時，由於形成Fe3CⅡ，阻礙奧氏體晶粒長大。
鋼中加入鈦、釩、鈮、鋯、鋁等元素，有利於得到本質細晶粒鋼，因為碳化物、氧化物和氮化物彌散分布在晶界上，能阻礙晶粒長大。
錳和磷促進晶粒長大。

強碳化物形成元素Ti、Zr、V、W、Nb等熔點較高，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，碳化物彌散度越大，則奧氏體晶粒越細小。

套用領域

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