工程材料学基本概念

奥氏体

奥氏体（Austenite）也称为沃斯田铁或ɣ-Fe，是钢铁的一种显微组织，通常是ɣ-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体。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）。

γ－Fe为面心立方晶体，其最大空隙为×10－8cm（该空隙的数据可能有误，跟c原子不在同一数量级上），略小于碳原子半径，因而它的溶碳能力比α－Fe大，在1148℃时，γ－Fe最大溶碳量为%，随着温度下降，溶碳能力逐渐减小，在727℃时其溶碳量为%。

奥氏体性能特点：

奥氏体是一种塑性很好，强度较低的固溶体，具有一定韧性。不具有铁磁性。因此，分辨奥氏体不锈钢刀具(常见的18－8型不锈钢）的方法之一就是用磁铁来看刀具是否具有磁性。

古代铁匠打铁时烧红的铁块即处于奥氏体状态。

影响奥氏体转变速度的因素：

1. 加热温度

随加热温度的提高, 奥氏体化速度加快。

2. 加热速度

加热速度越快，发生转变的温度越高，转变所需的时间越短。

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。

影响奥氏体晶粒长大的因素

1. 加热温度和保温时间

随加热温度升高晶粒将逐渐长大。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. 钢的成分

奥氏体中碳含量增高，晶粒长大倾向增大。

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。

3.合金元素

C%的影响：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;

合金元素影响：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。

γ-Fe：温度在912℃～1394℃的纯铁，晶格类型是面心立方

α－Fe，γ-Fe，δ-Fe 都是纯铁，只是晶格类型不同，这种现象称为同素异构。

γ-Fe是面心立方晶格,而α-Fe是体心立方晶格,由于面心比体心排列紧密,所以由前者转化为后者时,体积要膨胀.纯铁在室温下是体心立方结构，称为α-Fe。将纯铁加热，当温度到达910℃时，由α-Fe转变为γ-Fe，γ-Fe是面心立方结构。继续升高温度，到达1390℃时，γ-Fe转变为δ-Fe，它的结构与α-Fe一样，是体心立方结构。纯铁随着温度增加，由一种结构转变为另一种结构，这种现象称为相变。

面心立方结构除顶角上有原子外，在晶胞立方体六个面的中心处还有6个原子，故称为面心立方。

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体心立方结构八个原子处于立方体的角上，一个原子处于立方体的中心，角上八个原子与中心原子紧靠。

奥氏体不锈钢，是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni 8%~10%、C 约%时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化，如加入S，Ca，Se，Te等元素，则具有良好的易切削性。

铁素体

铁素体(ferrite，缩写：FN，用F表示)即碳在α-Fe中的间隙固溶体，具有体心立方晶格。称为铁素体或α固溶体，用α或F表示，α常用在相图标注中，F在行文中常用。亚共析成分的奥氏体通过先共析析出形成铁素体。

铁素体物理性质：

纯铁在912℃以下为具有体心立方晶格。碳溶于α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，以符号

F表示。由于α-Fe是体心立方晶格结构，它的晶格间隙很小，因而溶碳能力极差，在727℃时溶碳量最大，可达%,随着温度的下降溶碳量逐渐减小，在600℃时溶碳量约为%，在室温时溶碳量约为%。因此其性能几乎和纯铁相同，其机械性能如下：

抗拉强度 180—280MN/平方米

屈服强度 100—170MN/平方米

延伸率 30--50%

断面收缩率 70--80%

冲击韧性 160—200J/平方厘米

硬度 HB 50—80

由此可见，铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性。

铁素体的显微组织与纯铁相同，呈明亮的多边形晶粒组织，有时由于各晶粒位向不同，受腐蚀程度略有差异，因而稍显明暗不同。

铁素体在770℃以下具有铁磁性，在770℃以上则失去铁磁性。

（铁素体的居里点为770℃）

马氏体

马氏体由奥氏体急速冷却（淬火）形成，这种情况下奥氏体中固溶的碳原子没有时间扩散出晶胞。当奥氏体到达马氏体转变温度（Ms）时，马氏体转变开始产生，母相奥氏体组织开始不稳定。在Ms以下某温度保持不变时，少部分的奥氏体组织迅速转变，但不会继续。只有当温度进一步降低，更多的奥氏体才转变为马氏体。最后，温度到达马氏体转变结束温度Mf，马氏体转变结束。马氏体还可以在压力作用下形成，这种方法通常用在硬化陶瓷上（氧化钇、氧化锆）和特殊的钢种（高强度、高延展性的钢）。因此，马氏体转变可以通过热量和压力两种方法进行。

马氏体和奥氏体的不同在于，马氏体是体心正方结构，奥氏体是面心立方结构。奥氏体向马氏体转变仅需很少的能量，因为这种转变是无扩散位移型的，仅仅是迅速和微小的原子重排。马氏体的密度低于奥氏体，所以转变后体积会膨胀。相对于转变带来的体积改变，这种变化引起的切应力、拉应力更需要重视。