3.1 奥氏体

奥氏体是碳或其他化学元素溶入γ-Fe中所形成的固溶体。其中，具备形成固溶体条件的合金元素，其原子半径与铁原子半径相差不大的固溶于替换位置；一些难以固溶的化学元素，如稀土元素、硼等，则吸附于奥氏体晶界等晶格缺陷处；另外，奥氏体中还常存有少量残留元素，如Si、Mn、S、P、O、N、H、AS、Pb等。所以，奥氏体是多种化学元素构成的一个整合系统。

3.1.1 奥氏体的组织形貌

奥氏体一般由等轴状的多边形晶粒组成，晶粒内有孪晶。在加热转变刚刚结束时的奥氏体晶粒比较细小，晶粒边界呈不规则的弧形，经过一段时间加热或保温，晶粒将长大，晶粒边界可趋向平直化。图3-1a所示为50CrVA钢在1100℃加热7min形成的奥氏体组织（高温暗场像），它是C、Cr、V等元素溶入γ-Fe中的固溶体，白色网状为奥氏体晶粒的晶界，在个别晶粒中可以看到孪晶^[1]。

当钢中加入足够多的扩大γ相区的化学元素（如Ni、Mn等）时，则可使奥氏体稳定在室温，图3-1b所示为304奥氏体不锈钢在室温时的奥氏体组织，它是γ-Fe中溶入了C、Cr、Ni等化学元素形成的固溶体^[2]。由图中可见，奥氏体晶粒中有许多孪晶，其中灰、白颜色不同的衬度是由于各晶粒暴露在磨光试样表面上的晶面具有不同取向的缘故。

图3-1 钢中奥氏体组织形貌（OM）

a）50CrVA钢的奥氏体晶粒（暗场像） b）304不锈钢的奥氏体和孪晶

3.1.2 奥氏体的晶体结构

奥氏体为面心立方结构，碳、氮等间隙原子均位于奥氏体晶胞八面体间隙的中心，即面心立方晶胞的中心或棱边的中点，如图3-2a所示。假如每一个八面体的中心各容纳一个碳原子，则碳的最大溶解度应为50％（摩尔分数），相当于质量分数约为20％。实际上，碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11％（质量分数），原子百分比为10％，即每2.5个晶胞才有一个碳原子。这是由于γ-Fe的八面体间隙的半径仅为0.052nm，比碳原子的半径0.086nm小^[3]，碳原子溶入将使八面体发生较大的膨胀，产生畸变。溶入越多，畸变越大，晶格将不稳定，因此不是所有八面体的间隙中心都能溶入一个碳原子，其溶解度是有限的。碳原子溶入奥氏体中，使奥氏体晶格点阵发生均匀对等的膨胀，点阵常数随着含碳量的增加而增大，如图3-2b所示。

图3-2 碳原子在晶胞中的可能位置和对晶格常数的影响

大多数合金元素，如Mn、Cr、Ni、Co、Si等在γ-Fe中取代Fe原子的位置而形成置换固溶体。替换原子在奥氏体中的溶解度各不相同，有的可无限溶解，有的溶解度甚微。少数元素，如硼仅存在于晶体缺陷处，如晶界、位错等处，它们的存在也会引起晶格畸变和点阵常数变化。所以，合金奥氏体的点阵常数还与合金元素含量以及合金元素原子和铁原子的半径差等因素有关。