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奥氏体

钢铁的一种层片状的显微组织

奥氏体（Austenite）是钢铁的一种层片状的显微组织，通常是ɣ-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体，也称为沃斯田铁或ɣ-Fe。奥氏体的名称是来自英国的冶金学家罗伯茨·奥斯汀（William Chandler Roberts-Austen）。

组成成分
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。
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。
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。
主要性能
奥氏体是最密排的点阵结构，致密度高，故奥氏体的体积质量比钢中铁素体、马氏体等相的体积质量小。因此，钢被加热到奥氏体相区时，体积收缩，冷却时，奥氏体转变为铁素体—珠光体等组织时，体积膨胀，容易引起内应力和变形。
奥氏体的点阵滑移系多，故奥氏体的塑性好，屈服强度低，易于加工塑性成形。因此，钢锭，钢坯，钢材一般被加热到1100˚C以上奥氏体化，然后进行锻轧，塑性加工成材或加工成零部件。
一般钢中的奥氏体具有顺磁性，因此奥氏体钢可以作为无磁性钢。然而特殊成分的Fe—Ni软磁合金，也具有奥氏体组织，却具有铁磁性。
奥氏体导热性差，线膨胀系数大，比铁素体和渗碳体的平均线性膨胀系数高约一倍。故奥氏体钢可以用来制造热膨胀灵敏的仪表元件。在碳素钢中，铁素体，珠光体，马氏体，奥氏体和渗碳体的导热系数分别为77.1,51.9,29.3,14.6和4.2。可见，除渗碳体外，奥氏体的导热性最差，尤其是合金度较高的奥氏体钢更差，所以，厚钢件在热处理过程中应当缓慢冷却和加热，以减少温差热应力，避免开裂。
形成机理
共析钢奥氏体冷却到临界点A1以下温度时，存在共析反应：A---F+Fe3C。加热时发生逆共析反应：F+Fe3C----A。逆共析转变是高温下进行的扩散性相变，转变的全过程可以分为四个阶段，即：奥氏体形核，奥氏体晶核长大，剩余渗碳体溶解，奥氏体成分相对均匀化。各种钢的奥氏体形核形成过程有一些区别，亚共析钢，过共析钢，合金钢的奥氏体化过程中除了奥氏体形成的基本过程外，还有先共析相的溶解，合金碳化物的溶解等过程。
奥氏体形成的热力学条件：必须存在过冷度或过热度∆T。
奥氏体形核
奥氏体的形核位置通常在铁素体和渗碳体两相界面上，此外，珠光体领域的边界，铁素体嵌镶块边界都可以成为奥氏体的形核地点。奥氏体的形成是不均匀形核，复合固态相变的一般规律。
一般认为奥氏体在铁素体和渗碳体交界面上形核。这是由于铁素体碳含量极低（0.02%以下），而渗碳体的碳含量又很高（6.67%），奥氏体的碳含量介于两者之间。在相界面上碳原子有吸附，含量较高，界面扩散速度又较快，容易形成较大的浓度涨落，使相界面某一区域达到形成奥氏体晶核所需的碳含量；此外在界面上能量也较高，容易造成能量涨落,以便满足形核功的要求；在两相界面处原子排列不规则，容易满足结构涨落的要求。所有涨落在相界面处的优势，造成奥氏体晶核最容易在此处形成。
奥氏体的形核是扩散型相变，可在铁素体与渗碳体上形核，也可在珠光体领域的交界面上形核，还可以在原奥氏体晶核上形核。这些界面易于满足形核的能量，结构和浓度3个涨落条件。
奥氏体晶核的长大
加热到奥氏体相区，在高温下，碳原子扩散速度很快，铁原子和替换原子均能够充分扩散，既能够进行界面扩散，也能够进行体扩散，因此奥氏体的形成是扩散型相变。
剩余碳化物溶解
铁素体消失后，在t1温度下继续保持或继续加热时，随着碳在奥氏体中继续扩散，剩余渗碳体不断向奥氏体中溶解。
奥氏体成分均匀化
当渗碳体刚刚全部融入奥氏体后，奥氏体内碳浓度仍是不均匀的，只有经历长时间的保温或继续加热，让碳原子急性充分的扩散才能获得成分均匀的奥氏体。
影响因素
影响奥氏体形成速度的因素
1. 加热温度
随加热温度的提高，原子扩散速率急剧加快，使得奥氏体化速度大大增加，形成所需时间缩短。
2. 加热速度
加热速度越快，孕育期缩短，奥氏体开始转变的温度和转变终了的温度越高，转变终了所需的时间越短。
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。球化退火态的粒状珠光体，其相界面较少，因此奥氏体化最慢。
影响奥氏体晶粒长大的因素
1. 加热温度和保温时间
由于奥氏体晶粒长大与原子扩散有密切关系，所以随着温度愈高，或在一定温度下，保温时间越长，奥氏体晶粒也越粗大。
2.加热速度
加热温度相同时，加热速度越快，过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，形核率的增加大于长大速度，使奥氏体晶粒越细小。生产上常采用快速加热短时保温工艺来获得超细化晶粒。
3.钢的化学成分
在一定的含碳量范围内，奥氏体中碳含量增高，晶粒长大倾向增大。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。
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。
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。
4.原始组织
一般来说，钢的原始组织越细，碳化物弥散度越大，则奥氏体晶粒越细小。
应用领域
奥氏体不锈钢是不锈钢类中钢种最多、使用量最大的一种（约占整个不锈钢产量的 65~70%）。最常用的奥氏体不锈钢是 Fe-Cr-Ni 系合金（即美国的 AISI300 系）；Fe-Cr-Ni-Mn 系（即美国 AISI200 系）；特殊奥氏体不锈钢等三种。
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