浅析奥氏体相仅存于高温区，室温却存在奥氏体不锈钢现象

王连修，王 斐，王萌

（1.山东质量技术监督教育培训中心，山东 济南 250031；2.山东省建筑设计研究院，山东 济南 250031；3.山东大卫国际建筑设计有限公司，山东 济南 250031）

1 钢的分类

一般按化学成份分类，钢可分为低合金钢、合金钢、非合金钢，碳钢属于非合金钢。钢和铸铁统称为铁碳合金。在碳钢的范畴里，碳元素的含量对钢的性质影响十分重要，在二元铁-碳合金相图中，以碳含量多少对钢划分，含碳量为0.77%的铁碳合金称为共析钢，含碳量小于0.77%的铁碳合金称为亚共析钢，含碳量大于0.77%的铁碳合金称为过共析钢。共析钢、亚共析钢、过共析钢属于非合金钢范畴[1，2]。

碳作为钢的基本元素之一，从碳元素含量及作用为来理解钢的划分。在碳钢范畴，碳作为主要强化元素，随着含碳量的增加，钢的强度、硬度呈递增趋势，塑性、韧性下降。在合金钢范畴，碳元素不在是主要的强化元素，合金元素是关键；在不锈钢范畴，碳含量控制严格，通过增加其他元素含量，以获得理想性能。碳素结构钢分类方法用“Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号”表示，如Q235钢，对这类钢的表示方法我们简称为Q钢，对于Q钢而言不容易区分它是碳钢还是合金钢。一般屈服强度值大于等于295Mp（Q295）的钢，属于合金钢范畴，这个规律简单理解为，随着碳含量的增大钢的强度增加，当钢的屈服强度值达到295Mp左右时，在通过提高碳含量强化钢的机制已无法满足钢的性能要求，此时在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素，以满足钢的某些特殊性能要求，当添加合金含量达到一定含量时称为合金钢，根据添加合金元素含量多少，可分为高、中、低合金钢。在合金钢的范畴，此时碳不在是钢强化起决定性作用的元素，加入的合金元素是决定合金钢性能优劣的主导。

2 钢的基本相与合金系

合金是指两种或两种以上的金属或非金属，经过熔炼或烧结，或用其他方法组合而成的具有金属特性的物质。组成合金最基本、独立的物质称为组元；一般说来，组元就是组成合金的元素。由给定的组元可以以不同的比例配置成一系列不同成分的合金，这一系列合金就构成整个合金系统，简称合金系。当不同的组元经过熔炼或烧结组成合金时，这些组元间由物理和化学的相互作用，形成具有一定晶体结构和一定成分的相,相就是指合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。

钢的基本组成元素是铁和碳，由于碳与铁的结合方式不同，形成不同晶体组织，钢的性能不同。碳和铁原子有三种基本结合形式，固溶体、化合物、混合物。金属材料在显微镜下看到的内部组织结构称为显微组织或金相组织。广义的金相组织是指两种或两种以上的物质在微观状态下的混合状态以及相互作用状况。承压类特种设备用钢常见金相组织主要有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、马氏体、贝氏体、魏氏组织、δ相、σ相，其中铁素体、奥氏体、渗碳体是钢中基本的单相组织。

3 热处理

热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的冷却速度冷却到室温的一种热加工工艺。热处理的实质是内部微观原子、分子等打破原来分布状态，按新的组织结构分布导致宏观性能的差异，新的微观粒子分布结构引起钢的某些性能的巨大变化。钢热处理正常来讲是没有元素变化的，严重脱碳和元素贫化都属于热处理出了问题，特种设备常用的钢在热处理时始终处于固态，并未添加任何其他元素。

钢热处理前后，材质不变。如Q235钢，热处理后不会变成不锈钢，但热处理后，钢的性能发生了变化。举例说明，如在室温下500ml的纯净水，加热至100℃及以上时，变成水蒸汽，当冷却至0℃以下时，变成固态冰。水无论是气、液、固的状态，纯水本质没变，没有随着温度呈现不同状态而变成其他物质，但在不同状态下，它的物理性能却存在显著差异。这说明，水在不同温度的状态下本质没变，而性能发生了变化。钢的热处理过程有相似的道理，它是通过温度的变化改变钢的组织结构，从而改变其性能，但钢的材质不变，若要改变钢的材质，应在制造过程中添加其他元素，才能获得理想的物质。

铁、碳相图是反映热力学上接近于平衡时铁碳合金组织状态、温度及合金成分之间的关系。在以Fe-Fe3C为基础，对钢加热和冷却转变过程分析，亚共析钢为例,在冷却过程中，在某一温度区间形成单项奥氏体区，冷却至室温时，合金组织全部转化为铁素体和珠光体。在加热时，亚共析钢超过PSK线（727℃）开始形成奥氏体，随着温度升高，逐渐以单相奥氏体存在，当加热温度持续升高，就会从固相转变成液相的趋势。原则上只有在加热或冷却时发生溶解度显著变化或者发生类似纯铁的同素异构转变，既有固态相变发生的合金才能进行热处理，而某些纯金属、单项合金如奥氏体不锈钢不能通过热处理强化，只能采用加工硬化的方法。

4 不锈钢

不锈钢是指能抵抗大气或弱腐蚀介质腐蚀的钢，实际上没有绝对不锈钢、不受腐蚀的钢种，只是在不同介质中腐蚀速度不同而已。钢在炼制的过程中，加入奥氏体形成元素如Mn、Ni、C、N、Cu，增加这些元素的含量可以扩大奥氏体区，在合金相图中奥氏体化元素会在高温区形成闭合的奥氏体组织区域，这个区域随着温度降低，不会再发生组织转变，在室温下钢的金相组织成为奥氏体组织，也就是常提到的奥氏体不锈钢。

奥氏体不锈钢在室温下的金相组织大部分是奥氏体组织。亚共析钢热处理时在高温区间存在单一的奥氏体相，随着温度降低，其他组织相取代奥氏体相存在，冷却到室温时，一般为铁素体和珠光体。所以一种亚共析钢在热处理时，只能在高温区得到奥氏体组织相，而在室温时却得不到奥氏不锈钢。

5 结论

（1）对于“Q钢”一般屈服强度值大于等于295Mp（Q295）的钢，属于合金钢范畴。

（2）只有固态相变发生的合金才能进行热处理，热处理不能改变钢的材质，但可以改变钢的性能。