什么是奧氏體不銹鋼,？什么是馬氏體不銹鋼？兩者有什么區(qū)別，有哪些應用,？

羅羅日記 · 發(fā)表于 2020-5-20 23:10:19

好久沒出來露臉了，你不會把我忘了吧,。

這么久沒出來,，主要是因為最近在忙項目。

另外,，就是在考慮后續(xù)文章的連續(xù)性,，就是先寫什么,，再寫什么的問題。

前幾天,，還有朋友看到我朋友圈發(fā)的五一風景照,，贊美了一下，對我說,，你很久沒更新日記了,，我以為你不更新了。

我說,，怎能呢,，我會更新的，這個月就更新,。

這不,，今天，我就來了,。

雖然有點晚,，但是，我想說,，我想死你了,。

哈，言歸正傳,。

上周五,，我在選擇潔凈房使用的微型導軌時，其中有一項是材料的選擇,。

導軌供應商說,，使用馬氏體不銹鋼，具有抗蝕功效,，然后又說,，使用奧氏體不銹鋼，具有高抗蝕功效,。

我隨手翻閱了一下手冊,，找到了如下的不銹鋼性質列表，和導軌供應商說的一摸一樣,。

其實,，在機械設計中，我們經(jīng)常會用到奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼,，因為它們具有良好的物理和力學性能,。

例如，常用的奧氏體不銹鋼AISI303和AISI304,，其彈性模量在200Gpa左右,，屈服強度在190Mpa－230Mpa,。

而常用的馬氏體不銹鋼 AISI420和AISI440C，彈性模量為215Gpa,，其中420淬火和回火熱處理后,，屈服強度可達345Mpa－1420Mpa，440C熱處理后,，屈服強度甚至可以達到1900Mpa,。

淬火（Quenching），就是把工件加熱到奧氏體化的臨界溫度以上30-50℃,，保溫后取出,，在水或者油中極速冷卻的過程。以前打鐵,，做鐮刀,，砍刀等都會用淬火，使得刀具硬而不易脆斷（需要回火）,。

為了方便理解和記憶,，淬可以理解為蘸，就是將燒紅的金屬元件,，到水里蘸一下,，就像蘸辣椒醬，蘸金屬這口味有點重,。

回火（Tempering），就是把淬火后的工件再次加熱到727℃以下,，保溫后取出,，在空氣，油或水中冷卻的過程,�,；刈煮w現(xiàn)了再次的意思，這個再次是在淬火以后,，一般淬火后都需要做回火,，以消除內應力,，使組織穩(wěn)定。

馬氏體不銹鋼體系

奧氏體不銹鋼體系

我們知道，奧氏體不銹鋼沒有磁性,，有很好的抗腐蝕性能，如剛才提到的303,，304,，還有316，202等不銹鋼,。

而馬氏體不銹鋼有磁性,，但是其抗腐蝕能力沒有奧氏體好,，如420，440,，410,，403等不銹鋼。

那么問題來了,，什么是奧氏體不銹鋼,？什么是馬氏體不銹鋼？為什么兩者磁性和抗腐蝕能力不一樣,？應用上有什么差別?

這幾個問題,，經(jīng)常在我腦海中閃現(xiàn)，每一次我都去翻閱查詢,，但是過一段時間后,，我又不記得兩者有什么區(qū)別了，甚至常常把馬氏體和奧氏體性質弄反,，你有沒有,？

所以這兩天，我重新梳理了一下這兩者的區(qū)別,。今天我就來分享一下,，如果有說得不對的地方，也歡迎你指出,，一起進步,。

既然是奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼，那么首先,，什么是奧氏體,，什么是馬氏體？

說起馬奧體,，我覺得不得不從純鐵開始說起,。

因為無論是馬氏體，還是奧氏體,，本質都是在純鐵的基礎之上,，參入不同濃度的碳，在一定溫度下形成的,。

我們知道,，當把純鐵加熱到熔點1538度以上時，純鐵變成了液體,。

而在純鐵以液態(tài)開始冷卻的過程中,，在不同的溫度范圍內，會結晶成具有不同組織的晶體。

結晶是指液體變固體,。

晶體,，是指其原子在空間有規(guī)律排列的物體。

關于晶體,，這里有幾個概念,，需要說明一下。

為了便于理解,，我打個比喻,，把原子看成蘋果，現(xiàn)在要給客戶發(fā)一批蘋果,，我們不會直接把蘋果仍在卡車上,，而是要先裝箱，而且每一箱都按照一定的規(guī)律放置蘋果,，一箱一箱的蘋果就是一個晶胞,。

若干箱蘋果裝滿一車后，就叫晶粒,，不同大小的車,，能夠裝下不同數(shù)目的箱子，組成不同大小的晶粒,，所有車裝滿,，全部運輸?shù)娇蛻裟抢铮徒M成了晶體,。

所以晶體就是由晶粒組成的,，晶粒就是由這些一箱一箱堆在車上的蘋果組成的，而晶胞是由原子組成的,。

例如,，從熔點到1394度之間，鐵結晶成體心立方結構,，叫δ-Fe，在1394到912度之間,，結晶成面心立方結構,，叫γ-Fe，當溫度降至912度以下后,，又具有體心立方結構,，稱為α-Fe。

晶體結構：體心,，面心,，密排六方

我們知道，水可以溶解糖，鹽等易溶物,，這叫液溶,。

同樣地，上述三種溫度區(qū)間的鐵,，δ-Fe,，γ-Fe，α-Fe,，也可以溶解碳,，只不過能夠溶解碳的能力是不一樣的，這叫固溶,。

碳溶于α-Fe稱為鐵素體Ferrite=F,，還是保持體心立方結構，碳溶于γ-Fe稱為奧氏體Austenite＝Au,，仍然具有面心立方結構,，奧氏體塑性很好，容易變形,。

但是,，因為γ-Fe原子間隙比α-Fe大，所以它能夠溶解的碳濃度要比α-Fe大,。

奧氏體中最大溶解2.11%的碳,，鐵素體最大溶解0.0218%的碳。

如果碳的質量分數(shù)超過了兩者的溶解度極限,，會發(fā)生什么呢,？

會形成化合物Fe3C，稱為滲碳體：Cementite,，其含碳量可達到6.69%,。

好了，到這里,，我們有了奧氏體的概念,。

但是，上面所說的奧氏體,，是在高溫912-1394度之間,，如果是在912度以下，γ-Fe會向α-Fe的轉變,，所以單獨的奧氏體不存在了,。

當溫度低于727度時，奧氏體會和其他組織混合,，形成新的組織,，而我們平時用的不銹鋼,，大都在常溫下。

常溫下,，不同濃度的碳溶于鐵中形成的組織,，是不一樣的。

鐵碳相圖

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鐵碳相圖微組織

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例如,，當含碳量小于0.0218%時,，在室溫下形成的組織是鐵素體。

當含碳量為0.77%時,，在室溫下形成的組織,，是鐵素體與滲碳體的混合物，即珠光體Pearlite,，用P表示,。

當含碳量是4.3%時，室溫下組織是奧氏體與滲碳體的混合物,，即萊氏體Ledeburite,，用Ld表示。

但是沒有單獨的奧氏體存在,。

所以,，奧氏體不銹鋼從何而來？

說到這里,，不得不說起碳鋼的加熱并冷卻的轉變過程,。

碳鋼是以鐵和碳為主要成分的合金，把碳的質量分數(shù)為0.0218%-2.11%的鐵碳合金叫鋼,。其中,，含碳量小于0.25%的碳鋼叫低碳鋼。含碳量為0.25%-0.6%的碳鋼又叫中碳鋼,。含碳量大于0.6%時,，叫高碳鋼。

合金是指一種金屬元素和其他元素結合在一起,，形成有金屬特性的物質,。例如，家里的鋁合金窗戶是鋁與鎂及硅組成的合金,，廚房水龍頭主體一般是銅合金,，主要是銅與鋅，還含有少量的鉛,。

像鋰鋁合金AL-Li8090，及鈦合金因為強度和密度的比值大,，常常用于飛機結構中,。

室溫下，不同質量分數(shù)的的碳鋼，將其加熱到臨界溫度以上后,，就會形成奧氏體,，這個奧氏體有個特點，就是它在不同的溫度范圍等溫,，或者是在不同的冷卻速度下冷卻,，會形成成不同的組織。

臨界溫度就是鐵碳相圖中的A3,，Acm和A1線對應的溫度,，表示不同質量分數(shù)的碳，加熱時,，開始轉變成奧氏體的溫度,，例如室溫組織是珠光體的碳鋼，加熱到727度時,，開始形成奧氏體,。

例如，對于含碳量為0.77%的碳鋼（也叫共析鋼）,，在臨界溫度727度到560度之間等溫,，會形成珠光體，在560度到Ms之間等溫會形成貝氏體,，在Ms-Mf之間等溫就形成馬氏體,。

共析鋼的奧氏體等溫轉變圖

共析鋼的奧氏體等溫轉變圖可能存在的組織

當奧氏體在727-560度之間保溫時，首先會在奧氏體晶界處（晶粒交界處）形成滲碳體,，滲碳體慢慢長大,，使得周圍的奧氏體缺碳，于是在其兩側又會形成鐵素體,，這樣就組成了一個珠光體小單元,，很多小單元擴散交錯疊加，最后使得整個奧氏體變?yōu)橹楣怏w,，所以珠光體的基本組織是鐵素體和滲碳體的混合物,。

把奧氏體在560到Ms溫度區(qū)間保溫，首先在奧氏體晶界處析出過飽和的鐵素體,，然后在鐵素體中析出細小的滲碳體,，所以，貝氏體是過飽和鐵素體和滲碳體的混合物,。

Ms是馬氏體開始轉變溫度,，即Martensite Start，不同質量分數(shù)的碳鋼,，對應的Ms不同,，Ms在150－310度左右變化,。Mf表示馬氏體轉變結束溫度，即Martensite Finish,，也是一個根據(jù)碳質量分數(shù)而變化的量,，在-100到50度之間變化。

因為馬氏體在Ms－Mf之間轉變,，轉變溫度低,，速度快，只發(fā)生鐵素體的晶體結構轉變,，碳原子來不及重新分布,，被保留在馬氏體中，其碳的質量分數(shù)和母奧氏體相同,，所以馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體,。

OK，到這里,，我們終于有了馬氏體的概念,，它是奧氏體在Ms－Mf溫度區(qū)間轉變形成的一種組織，是碳在α-Fe中的過飽和固溶體,。

當然,，因為工件實際熱處理時，常常被連續(xù)冷卻,，而不是保溫,，所以一般用冷卻速度來估計最后的常溫組織。

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共析鋼的奧氏體連續(xù)冷卻圖

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例如,，退火（Annealing）,，相當于爐冷，冷卻速度很慢,，通常在10−5 – 10−3K/s,，得到的組織是粗片狀珠光體，因為緩慢冷卻的過程中,，組織會慢慢長大,。

又如正火（Normalizing），在空氣中冷卻,，冷卻速度較快,，得到細片狀珠光體，也叫索氏體,，極細小的珠光體叫托氏體,。

最后在水中淬火，快速冷卻,，得到馬氏體組織,，所以淬的目的,，就是得到馬氏體。

上面說了,，馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體，所以它保持了鐵素體的體心立方結構,，但是因為內部有大量過飽和的碳原子,，使得原子排列擁擠，產(chǎn)生了較大的內應力,，所以馬氏體有較高的強度和硬度,，如果含碳量增高，強度和硬度也增加,，但會變得很脆,，必須回火消除內應力，才能使用,。

說到這里,，我覺得有必要說一下退火和正火熱處理的含義。

退火（Annealing）,，就是將工件加熱到臨界點,，也就是相圖中的A1，A3,，Acm線以上,，或者在臨界點以下某一溫度保溫一定時間后，十分緩慢地冷卻的過程,，例如爐冷,，坑冷等，目的是改善組織,，細化晶粒,，降低硬度，改善加工性能,，減小應力等,。

退火可以理解為退去工件內部的“火”，金屬和人一樣也有火,，比如內部的熱應力就是一種火,。退火時不能太急，必須慢慢來,，才能見效,，就像人上火了，可以通過喝茶慢慢降火一樣,。

正火（Normalizing）,和退火有點類似,，不同的是,，正火是在空氣中冷卻，冷卻速度要快一些,，目的是細化組織,，適當提高硬度和強度，可加工性等,。

正火,，從單詞Normalize演化而來，可以理解為正�,；�,，什么叫正常化,，在空氣中冷卻就叫正�,；驗樵跔t中或者在水中冷卻,，都是人為控制,，而在空氣中冷卻不需要人為控制，可以看成是正常冷卻,。

所以,，正火要比退火便宜。

應用上,，低碳鋼和低碳合金鋼,，常以正火做預備熱處理，而高碳鋼一般用退火做預備熱處理,，因為碳含量高,，硬度也高，不容易加工,，退火以降低硬度,，提高加工性能。

OK,，到這里,，我們終于把馬氏體和奧氏體的來歷給弄清楚了，但是什么又是奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼呢,？

從奧氏體和馬氏體得到奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼,，還需要一步。

哪一步呢,？

上面說過,，在室溫下，奧氏體不單獨存在，且其在鋼中的成分不高,，所以不能稱為奧氏體鋼,。

但是，當鋼中加入某些足夠多的合金元素時,，就會擴大奧氏體相區(qū),，例如加入9%的鎳，或者13%的錳等,，則可使A3線下降,，使得奧氏體穩(wěn)定在室溫，形成奧氏體鋼,。

所以奧氏體鋼，其實是一種合金鋼,。

為什么要在碳鋼中加入合金元素呢,？

因為碳鋼雖然有良好的力學和加工性能，價格也便宜,，但是它存在不容易完全淬透,，強度不夠高，不具有耐腐蝕,，耐高溫,，耐磨等特殊性能。

合金元素的加入,，剛好可以彌補這些缺點,，所以實際工程中，大量使用的是合金鋼,。

當然,，并不是每一種合金元素都使得奧氏體區(qū)域擴大，有的合金元素的加入會減小奧氏體區(qū)域,，甚至使奧氏體區(qū)域消失,。

例如，Si,、Cr,、AL、Ti等的加入,，當加入的鉻元素達到17%-28%,，常溫下奧氏體區(qū)域消失，鋼在室溫下呈單相鐵素體組織,，稱為鐵素體鋼,。

那么，什么是奧氏體不銹鋼呢,？為什么不生銹,？

奧氏體不銹鋼是在低碳鋼的基礎上,，加入了17%-25%的鉻元素，和8%-29%的鎳元素,，例如典型的18-8型奧氏體不銹鋼,，就是鉻≥18%，鎳≥8%的合金鋼,。

鎳元素的加入使鋼在常溫下呈單相奧氏體組織,，減少了金屬內部因為組織的不同，而形成的微電池數(shù)量,，從而也就提高了抗電化學腐蝕的能力,。

什么是電化學腐蝕？例如,，鋼中的珠光體是鐵素體α和滲碳體F3C層片相間的組織,，在硝酸酒精溶液中，構成無數(shù)個微電池,。α電位低,，形成微電池的陽極，不斷析出鐵離子,，也就是被腐蝕,，F(xiàn)3C電位高，形成微電池的陰極,，把電子傳給溶液中氫離子,，形成氫氣。

電位越高越不容易被腐蝕,，例如用來制作散熱器的黃銅,，是銅鋅合金，使用中容易脫鋅,，因為銅的電極電位比鋅的電位高,，所以，一般會加入鋁,，硅,，鎳等微量元素，防止脫鋅,。

同時,，鉻元素的加入，提高了基體的電極電位,，并在鋼的表層形成了致密的氧化膜Cr2O3,，從而使得鋼在一定的介質中不容易生銹，所以叫奧氏體不銹鋼。

類似地,，在含碳量為0.1%-1%的碳鋼中,，加入12%-18%的鉻，并空冷可以形成馬氏體不銹鋼,。

因為合金元素單一,，馬氏體不銹鋼只在非氧化介質中，例如大氣,，水蒸氣中有較好的耐腐蝕性能,，而在非氧化介質中，例如鹽酸溶液中,，耐腐蝕能力變得很低,。

所以奧氏體不銹鋼的耐腐蝕能力比馬氏體不銹鋼高，如果對耐腐蝕能力有要求,，最好選用奧氏體不銹鋼,。

到這里，我們終于清楚奧氏體和馬氏體不銹鋼的概念了,。

但是，回到我們最初還剩下的問題,，為什么奧氏體不銹鋼沒有磁性,？而馬氏體不銹鋼有磁性呢？

按照磁鐵吸鐵的原理,，是馬氏體和鐵素體能夠被磁化,，而奧氏體不能被磁化。

但是更近一步,，為什么呢,，我查閱了很多資料，到目前,，沒有看到很好的解釋,。

反正結果就是馬氏體和鐵素體有磁性，但是奧氏體沒有磁性或者僅有弱磁性,。

如果你有很好的解釋,，也歡迎在下面留言探討。

有時奧氏體呈現(xiàn)磁性,，一般有兩個原因,。

一是由于冶煉時成分偏析或熱處理不當，會造成奧氏體不銹鋼中有少量馬氏體或鐵素體組織存在,。

另外,，奧氏體不銹鋼經(jīng)過冷加工，組織結構也會向馬氏體轉化，冷加工變形度越大,，馬氏體轉化越多,，鋼的磁性也越大。

對于不銹鋼的應用,，我們用得最多的還是303和304,，但是因為304相對于303來說，可加工性差點,，因為304粘刀具,，所以用303的時候更多。

另外,，我們的鈑金件,，一般是用304鋼板彎折的，用得最多的厚度是從1mm,，1.5mm,，2mm和3mm。當然,，有時候只做遮蓋用時,，也用鋁板彎折，并做發(fā)黑表面處理,，防止生銹,。

420的應用也比較多，因為有時候工件太大了,，303和304原材料沒那么大,，就換成420的加工，不過都要做表面處理,，如鍍鋅鍍鉻等,，以防止生銹。

420和440C因為做調質后（淬火加高溫500-650度回火）,，屈服強度很高,，所以也常常用于對于強度要求高的設計中，例如我之前提到的,，機器人快還裝置中的柔性定位銷,。

鴨，夜深了,，明天還要工作,，今天就寫到這里吧。

洗洗睡了,。

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什么是奧氏體不銹鋼,？什么是馬氏體不銹鋼？兩者有什么區(qū)別，有哪些應用,？

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