奥氏体组织及性能

奥氏体的组织及性能

奥氏体的组织结构：

奥氏体是碳溶于γ-Fe所形成的固溶体。碳原子位于γ-Fe八面体间隙的中心，即面心立方点阵晶胞的中心或棱边的中点，如图1所示。假如每一个八面体间隙中心各容纳一个碳原子，则碳在奥氏体中的最大溶解度应为20%（质量）。但实际上碳在γ-Fe中的最大溶解度仅为2.11%（质量）。这是因为γ-Fe八面体间隙的半径仅为0.052nm，小于碳原子的半径0.077nm。碳原子的溶入将使该八面体间隙发生膨胀而使周围的八面体间隙减小。因此不是所有的八面体中心均能容纳入一个碳原子。

图1 奥氏体的晶体结构 图2 奥氏体点阵参数与碳含量的关系

碳原子的溶入使γ-Fe的点阵发生畸变，点阵参数增大。溶入的碳越多，奥氏体的点阵

参数越大（如上图2所示）。碳原子在奥氏体中的分布是不均匀的，存在着浓度梯度。

在合金钢的奥氏体中，除碳原子外，溶于γ-Fe中的还有合金元素原子。碳、氮等间隙原子位于γ-Fe八面体间隙的中心，而锰、硅、铬、镍、钴等合金元素的原子则置换部分铁原子，处于面心立方点阵的结点位置。

奥氏体的组织形态与原始组织、加热速度以及加热转变的程度等有关，可以是颗粒状（图3），也可以是针状，一般均为颗粒状。但非平衡态的含碳量较低的钢以较低的速度加热到（α+γ）两相区时可以得到针状奥氏体（图4）。加热转变刚结束时所得的颗粒状奥氏体晶粒比较细小，晶粒边界呈不规则弧形。经过一段时间高温保温后，奥氏体晶粒将长大，晶粒边界将通过平直化而变直，呈等轴多边形。有的奥氏体晶粒内还可能存在孪晶。图5为Mn18钢经1050~1080℃固溶处理得到的孪晶奥氏体，晶界上有极少量碳化物，晶粒大小不一，孪晶线明显。由于各晶粒位向不同，各晶粒截面受蚀程度不同，表现出不同色泽。

图3 1Cr18Ni9Ti固溶处理 图4 奥氏体的 图5 Mn18钢带有

后的等轴奥氏体颗粒状组织 针状组织 孪晶的奥氏体

奥氏体的性能：

奥氏体是钢中的高温稳定相，但若钢中加入足够量的能扩大γ相区的元素，则可使奥氏体在室温成为稳定相。因此，奥氏体可以是钢在使用时的一种组织状态，以奥氏体状态使用的钢称为奥氏体钢。

在钢的各种组织中，具有面心立方点阵的奥氏体的硬度和屈服强度均不高，碳的固溶也不能有效地提高其硬度和强度；因为面心立方点阵滑移系统多，奥氏体的塑性很好，易于变形，即加工成形性好；又因面心立方点阵是一种最密排的点阵结构，致密度高，所以奥氏体的比容最小；奥氏体中铁原子的自扩散激活能大，扩散系数小，因此奥氏体钢的热强性好，可作为高温用钢；奥氏体具有顺磁性，而奥氏体的转变产物均为铁磁性，所以奥氏体钢又可作为无磁性钢；奥氏体的线性膨胀系数大，因此奥氏体钢也可用来制作热膨胀灵敏的仪表元件；奥氏体的导热性能差，故奥氏体钢加热时，不宜采用过大的加入速度，以免因热应力过大而引起工件变形。

奥氏体的形成条件：

由铁碳相图可知，当把钢加热到恭喜温度以上时，原始组织将向奥氏体转变。钢的成分和原始组织不同，奥氏体转变的温度范围也不同。在这里，我们仅考虑原始组织为平衡组织且加热速度缓慢时不同成分钢的奥氏体转变温度范围。

共析钢的原始平衡组织为珠光体。加热到共析温度727℃时，由渗碳体和铁素体组成的珠光体可以全部等温转变为奥氏体。

亚共析钢的原始平衡组织为珠光体和铁素体。加热到共析温度时，其组织中的珠光体

首先转变为奥氏体。加热温度升高，就进入（α+γ）两相区。在Ac1和Ac3之间，随着加热温度的升高，铁素体逐渐转变为奥氏体。在Ac3，亚共析钢的原始组织全部转变为奥氏体。

过共析钢的原始组织为珠光体加渗碳体。加热到共析温度时，其组织中的珠光体首先转变为奥氏体。加热温度升高，就进入（Fe3C+γ）两相区。在Ac1和Acm之间，随着加热温度的升高，渗碳体逐渐转变为奥氏体。在Acm，过共析钢的原始组织全部转变为奥氏体。

由此可见，无论任何成分的钢，只要加热到奥氏体单相区，其原始组织都将全部转变为奥氏体。因此钢的加热转变既可被称为奥氏体转变，也可被称为奥氏体化。

需要指出的是，并不是所有的钢在各种热处理加热时都要在奥氏体单相区加热，比如过共析钢在淬火加热时就是在奥氏体和碳化物双相区加热的。在这种情况下，钢的加热转变只是部分原始组织转变为奥氏体，被称为部分组织奥氏体化，或原始组织局部奥氏体化。

珠光体被加热到A1（727℃）以上时将转变为奥氏体。图6包含了这种转变的热力学条件。由图可见，珠光体与奥氏体的自由能均随温度的升高而降低，但下降的速度不同，代表二者自由能随温度变化的斜线相较于一点，该点即为727℃。高于727℃时，奥氏体的自由能低于珠光体的自由能，珠光体将转变为奥氏体。转变的驱动力即为珠光体与奥氏体的自由能差ΔGV。由此可见，由珠光体转变为奥氏体的条件是将珠光体加热到临界点A1（727℃）以上。

图6 珠光体与奥氏体的自由能与温度的关系

转变温度与临界点A1之差被称为过热度。过热度越大，驱动力也就越大，转变速度也就越快。加热速度极慢时，有较充分的时间进行转变。只要过热度大于零，转变即可进行。

在实际热处理加热情况下，相变是在不平衡的条件下完成的，其相变点与相图有一些差异。实际热处理时，加热转变总是在一定的过热度下进行的，奥氏体的实际形成温度总是偏向高温。这种现象被称之为“滞后”。

在研究珠光体向奥氏体的加热转变时，习惯上将在一定的加热速度（0.125℃/min）下实际测得的临界点用Ac1表示，显然这是一个人为规定的值。而在实际加热时，转变的开始点是随加热速度的增加而升高的。

同样，冷却时所发生的由奥氏体到珠光体的转变，也会因冷却速度的加快而发生滞后现象。习惯上将实测所得的发生冷却转变的温度称为Ar1。Ar1随冷却速度的增加而下降。

临界点A3及Acm也可附加下脚标c及r以表示实际的加热与冷却时的实际临界点，即Ac3、Ar3、Accm、Arcm。

参考文献：

1、康煜平主编 金属固态相变及应用 化学工业出版社，2007.4

2、徐洲 赵连城主编 金属固态相变原理 科学出版社，2004