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钢铁百科 - 钢之家

奥氏体发表评论(0)编辑词条

  奥氏体(Austenite)是钢铁的一种层片状的显微组织,[1] 通常是Y-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体,也称为沃斯田铁或y-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)。
  奥氏体塑性很好,强度较低,具有一定韧性,不具有铁磁性。奥氏体因为是面心立方,四面体间隙较大,可以容纳更多的碳。
  中 文 名:奥氏体
  外 文 名:Austenite
  定    义:C在γ-Fe中的固溶体
  最大碳含量:2.11%
  导热系数:14.6W/m·K
  字母代号:A、γ
  晶体结构:面心立方(fcc)
 

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1组成成分编辑本段回目录

  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。[2]
  

2晶体结构编辑本段回目录

  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?-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,

(图)面心立方结构面心立方结构

在?-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。[3]
  

3主要性能编辑本段回目录

  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数分别为27.1,51.9,29.3,14.6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。[4]
  

4形成机理编辑本段回目录

  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

  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。

(图)奥氏体奥氏体


  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。[4]
  

5影响因素编辑本段回目录

  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;

(图)奥氏体奥氏体


    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。

(图)奥氏体奥氏体


  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。[4]
  

6应用领域编辑本段回目录

  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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