淺析奧氏體相僅存于高溫區，室溫卻存在奧氏體不銹鋼現象

王連修，王 斐，王萌

（1.山東質量技術監督教育培訓中心，山東 濟南 250031；2.山東省建筑設計研究院，山東 濟南 250031；3.山東大衛國際建筑設計有限公司，山東 濟南 250031）

1 鋼的分類

一般按化學成份分類，鋼可分為低合金鋼、合金鋼、非合金鋼，碳鋼屬于非合金鋼。鋼和鑄鐵統稱為鐵碳合金。在碳鋼的范疇里，碳元素的含量對鋼的性質影響十分重要，在二元鐵-碳合金相圖中，以碳含量多少對鋼劃分，含碳量為0.77%的鐵碳合金稱為共析鋼，含碳量小于0.77%的鐵碳合金稱為亞共析鋼，含碳量大于0.77%的鐵碳合金稱為過共析鋼。共析鋼、亞共析鋼、過共析鋼屬于非合金鋼范疇[1，2]。

碳作為鋼的基本元素之一，從碳元素含量及作用為來理解鋼的劃分。在碳鋼范疇，碳作為主要強化元素，隨著含碳量的增加，鋼的強度、硬度呈遞增趨勢，塑性、韌性下降。在合金鋼范疇，碳元素不在是主要的強化元素，合金元素是關鍵；在不銹鋼范疇，碳含量控制嚴格，通過增加其他元素含量，以獲得理想性能。碳素結構鋼分類方法用“Q+數字+質量等級符號+脫氧方法符號”表示，如Q235鋼，對這類鋼的表示方法我們簡稱為Q鋼，對于Q鋼而言不容易區分它是碳鋼還是合金鋼。一般屈服強度值大于等于295Mp（Q295）的鋼，屬于合金鋼范疇，這個規律簡單理解為，隨著碳含量的增大鋼的強度增加，當鋼的屈服強度值達到295Mp左右時，在通過提高碳含量強化鋼的機制已無法滿足鋼的性能要求，此時在普通碳素鋼基礎上添加適量的一種或多種合金元素，以滿足鋼的某些特殊性能要求，當添加合金含量達到一定含量時稱為合金鋼，根據添加合金元素含量多少，可分為高、中、低合金鋼。在合金鋼的范疇，此時碳不在是鋼強化起決定性作用的元素，加入的合金元素是決定合金鋼性能優劣的主導。

2 鋼的基本相與合金系

合金是指兩種或兩種以上的金屬或非金屬，經過熔煉或燒結，或用其他方法組合而成的具有金屬特性的物質。組成合金最基本、獨立的物質稱為組元；一般說來，組元就是組成合金的元素。由給定的組元可以以不同的比例配置成一系列不同成分的合金，這一系列合金就構成整個合金系統，簡稱合金系。當不同的組元經過熔煉或燒結組成合金時，這些組元間由物理和化學的相互作用，形成具有一定晶體結構和一定成分的相,相就是指合金中結構相同、成分和性能均一并以界面相互分開的組成部分。

鋼的基本組成元素是鐵和碳，由于碳與鐵的結合方式不同，形成不同晶體組織，鋼的性能不同。碳和鐵原子有三種基本結合形式，固溶體、化合物、混合物。金屬材料在顯微鏡下看到的內部組織結構稱為顯微組織或金相組織。廣義的金相組織是指兩種或兩種以上的物質在微觀狀態下的混合狀態以及相互作用狀況。承壓類特種設備用鋼常見金相組織主要有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、馬氏體、貝氏體、魏氏組織、δ相、σ相，其中鐵素體、奧氏體、滲碳體是鋼中基本的單相組織。

3 熱處理

熱處理是將鋼在固態下加熱到預定的溫度，并在該溫度下保持一段時間，然后以一定的冷卻速度冷卻到室溫的一種熱加工工藝。熱處理的實質是內部微觀原子、分子等打破原來分布狀態，按新的組織結構分布導致宏觀性能的差異，新的微觀粒子分布結構引起鋼的某些性能的巨大變化。鋼熱處理正常來講是沒有元素變化的，嚴重脫碳和元素貧化都屬于熱處理出了問題，特種設備常用的鋼在熱處理時始終處于固態，并未添加任何其他元素。

鋼熱處理前后，材質不變。如Q235鋼，熱處理后不會變成不銹鋼，但熱處理后，鋼的性能發生了變化。舉例說明，如在室溫下500ml的純凈水，加熱至100℃及以上時，變成水蒸汽，當冷卻至0℃以下時，變成固態冰。水無論是氣、液、固的狀態，純水本質沒變，沒有隨著溫度呈現不同狀態而變成其他物質，但在不同狀態下，它的物理性能卻存在顯著差異。這說明，水在不同溫度的狀態下本質沒變，而性能發生了變化。鋼的熱處理過程有相似的道理，它是通過溫度的變化改變鋼的組織結構，從而改變其性能，但鋼的材質不變，若要改變鋼的材質，應在制造過程中添加其他元素，才能獲得理想的物質。

鐵、碳相圖是反映熱力學上接近于平衡時鐵碳合金組織狀態、溫度及合金成分之間的關系。在以Fe-Fe3C為基礎，對鋼加熱和冷卻轉變過程分析，亞共析鋼為例,在冷卻過程中，在某一溫度區間形成單項奧氏體區，冷卻至室溫時，合金組織全部轉化為鐵素體和珠光體。在加熱時，亞共析鋼超過PSK線（727℃）開始形成奧氏體，隨著溫度升高，逐漸以單相奧氏體存在，當加熱溫度持續升高，就會從固相轉變成液相的趨勢。原則上只有在加熱或冷卻時發生溶解度顯著變化或者發生類似純鐵的同素異構轉變，既有固態相變發生的合金才能進行熱處理，而某些純金屬、單項合金如奧氏體不銹鋼不能通過熱處理強化，只能采用加工硬化的方法。

4 不銹鋼

不銹鋼是指能抵抗大氣或弱腐蝕介質腐蝕的鋼，實際上沒有絕對不銹鋼、不受腐蝕的鋼種，只是在不同介質中腐蝕速度不同而已。鋼在煉制的過程中，加入奧氏體形成元素如Mn、Ni、C、N、Cu，增加這些元素的含量可以擴大奧氏體區，在合金相圖中奧氏體化元素會在高溫區形成閉合的奧氏體組織區域，這個區域隨著溫度降低，不會再發生組織轉變，在室溫下鋼的金相組織成為奧氏體組織，也就是常提到的奧氏體不銹鋼。

奧氏體不銹鋼在室溫下的金相組織大部分是奧氏體組織。亞共析鋼熱處理時在高溫區間存在單一的奧氏體相，隨著溫度降低，其他組織相取代奧氏體相存在，冷卻到室溫時，一般為鐵素體和珠光體。所以一種亞共析鋼在熱處理時，只能在高溫區得到奧氏體組織相，而在室溫時卻得不到奧氏不銹鋼。

5 結論

（1）對于“Q鋼”一般屈服強度值大于等于295Mp（Q295）的鋼，屬于合金鋼范疇。

（2）只有固態相變發生的合金才能進行熱處理，熱處理不能改變鋼的材質，但可以改變鋼的性能。