奧氏體

奧氏體

奧氏體(Austenite)也稱為沃斯田鐵或ɣ-Fe,是鋼鐵的一種顯微組織,通常是ɣ-Fe中固溶少量碳的無磁性固溶體。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)。碳及各種化學元素在γ-Fe中形成的固溶體,古代鐵匠打鐵時燒紅的鐵塊即處於奧氏體狀態。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。

基本信息

簡介

奧氏體奧氏體
英文名稱:austenite
晶體結構:面心立方(fcc)
字母代號:A、γ
定 義:碳及各種化學元素在γ-Fe中形成的固溶體
微觀表述:γ-Fe為面心立方晶體,其最大空隙為0.51×10-8cm,略小於碳原子半徑,因而它的溶碳能力比α-Fe大,在1148℃時,γ-Fe最大溶碳量為2.11%,隨著溫度下降,溶碳能力逐漸減小,在727℃時其溶碳量為0.77%。

性能特點

奧氏體是一種塑性很好,強度較低的固溶體,具有一定韌性。不具有鐵磁性。因此,分辨奧氏體不鏽鋼刀具(常見的18-8型不鏽鋼)的方法之一就是用磁鐵來看刀具是否具有磁性。
古代鐵匠打鐵時燒紅的鐵塊即處於奧氏體狀態。
另外,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。

命名

為紀念英國冶金學家羅伯茨-奧斯汀(1843~1902)對金屬科學中的貢獻而命名。

產生原因

碳溶解在γ鐵中形成的一種間隙固溶體,呈面心立方結構,無磁性。奧氏體是一般鋼在高溫下的組織,其存在有一定的溫度和成分範圍。有些淬火鋼能使部分奧氏體保留到室溫,這種奧氏體稱殘留奧氏體。在合金鋼中除碳之外,其他合金元素也可溶於奧氏體中,並擴大或縮小奧氏體穩定區的溫度和成分範圍。例如,加入錳和鎳能將奧氏體臨界轉變溫度降至室溫以下,使鋼在室溫下保持奧氏體組織,即所謂奧氏體鋼。
的顯微組織 · · ·
肥粒鐵(α-Fe, δ-Fe)
奧氏體(γ-Fe)
波來鐵(88%肥粒鐵,12%碳化三鐵)
馬氏體
變韌鐵
粒滴斑鐵( 肥粒鐵及碳化三鐵的共晶混合物,含碳量4.3%)
碳化三鐵(Fe3C)
Β鐵(β-Fe)
en:Hexaferrum (ε-iron)
坩堝鋼
碳鋼(含碳量≤2.1%)
彈簧鋼(low or no alloy)
合金鋼(含有碳以外的元素)
en:Maraging steel(含鎳)
不鏽鋼(含鉻量≥10.5%)
耐候鋼
工具鋼(工具用的合金鋼)
其他含鐵材料
鑄鐵(含碳量>2.1%)
球墨鑄鐵
灰鑄鐵
可鍛鑄鐵
白鑄鐵
鍛鐵(含有熔渣)

鋼中特性

磁性:具有順磁性,故可作為無磁鋼
比容:在鋼的各種組織中,奧氏體的比容最小。
膨脹:奧氏體的線膨脹係數比鐵素體滲碳體的平均線膨脹係數高出約一倍。故也可被用來製作要求膨脹靈敏的元件。
導熱性:除滲碳體外,奧氏體的導熱性最差。為避免熱應力引起的工件變形,不可採用過大的加熱速度加熱。
力學性能:具有較高的塑性、低的屈服強度,容易塑性變形加工成型。
面心立方點陣是一種最密排的點陣結構,緻密度高,其中鐵原子的自擴散激活能大,擴散係數小,從而使其熱強性好。故奧氏體鋼可作為高溫用鋼。
奧氏體的硬度一般是170~220HBS,延長率為40%~50%。

影響因素

轉變速度的因素

1. 加熱溫度
隨加熱溫度的提高, 奧氏體化速度加快。
2. 加熱速度
加熱速度越快,發生轉變的溫度越高,轉變所需的時間越長。
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。

晶粒長大的因素

1. 加熱溫度和保溫時間
隨加熱溫度升高晶粒將逐漸長大。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. 鋼的成分
奧氏體中碳含量增高,晶粒長大傾向增大。
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。
3.合金元素
C%的影響: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;
合金元素影響: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。

組織形貌

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。

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。

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