3.1 奧氏體

奧氏體是碳或其他化學元素溶入γ-Fe中所形成的固溶體。其中，具備形成固溶體條件的合金元素，其原子半徑與鐵原子半徑相差不大的固溶于替換位置；一些難以固溶的化學元素，如稀土元素、硼等，則吸附于奧氏體晶界等晶格缺陷處；另外，奧氏體中還常存有少量殘留元素，如Si、Mn、S、P、O、N、H、AS、Pb等。所以，奧氏體是多種化學元素構成的一個整合系統。

3.1.1 奧氏體的組織形貌

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。圖3-1a所示為50CrVA鋼在1100℃加熱7min形成的奧氏體組織（高溫暗場像），它是C、Cr、V等元素溶入γ-Fe中的固溶體，白色網狀為奧氏體晶粒的晶界，在個別晶粒中可以看到孿晶^[1]。

當鋼中加入足夠多的擴大γ相區的化學元素（如Ni、Mn等）時，則可使奧氏體穩定在室溫，圖3-1b所示為304奧氏體不銹鋼在室溫時的奧氏體組織，它是γ-Fe中溶入了C、Cr、Ni等化學元素形成的固溶體^[2]。由圖中可見，奧氏體晶粒中有許多孿晶，其中灰、白顏色不同的襯度是由于各晶粒暴露在磨光試樣表面上的晶面具有不同取向的緣故。

圖3-1 鋼中奧氏體組織形貌（OM）

a）50CrVA鋼的奧氏體晶粒（暗場像） b）304不銹鋼的奧氏體和孿晶

3.1.2 奧氏體的晶體結構

奧氏體為面心立方結構，碳、氮等間隙原子均位于奧氏體晶胞八面體間隙的中心，即面心立方晶胞的中心或棱邊的中點，如圖3-2a所示。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），相當于質量分數約為20％。實際上，碳在奧氏體中的最大溶解度為2.11％（質量分數），原子百分比為10％，即每2.5個晶胞才有一個碳原子。這是由于γ-Fe的八面體間隙的半徑僅為0.052nm，比碳原子的半徑0.086nm小^[3]，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，因此不是所有八面體的間隙中心都能溶入一個碳原子，其溶解度是有限的。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，點陣常數隨著含碳量的增加而增大，如圖3-2b所示。

圖3-2 碳原子在晶胞中的可能位置和對晶格常數的影響

大多數合金元素，如Mn、Cr、Ni、Co、Si等在γ-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，如硼僅存在于晶體缺陷處，如晶界、位錯等處，它們的存在也會引起晶格畸變和點陣常數變化。所以，合金奧氏體的點陣常數還與合金元素含量以及合金元素原子和鐵原子的半徑差等因素有關。