残留奥氏体

定义

残留奥氏体指工件淬火冷却至室温后仍然残存的奥氏体，即奥氏体向马氏体转变未进行完全而留下的那部分相^[1]。在钢的组织体系中，奥氏体为面心立方结构，马氏体为体心立方或体心正方结构，两者晶格类型不同，因此残留奥氏体在物理性质和比容上都与马氏体有明显差别^[3]。

与过冷奥氏体不同，残留奥氏体强调转变在冷却结束后已经停止而仍有部分奥氏体留存。它和过冷奥氏体含碳量相近，本质上是同一相在不同温度与转变阶段的状态，区别在于过冷奥氏体是尚未完成转变的中间态，而残留奥氏体是转变结束后稳定或亚稳定下来的残余部分^[1]。

残留奥氏体在显微组织中可呈块状、片状或薄膜状分布。薄膜状残留奥氏体常夹在马氏体板条之间，块状残留奥氏体则多出现在晶界或板条束交界处，不同形态对力学性能的影响并不相同^[1][4]。

原理

马氏体转变属于无扩散型相变，转变量随温度下降而增加，并在马氏体开始温度($M_s$)以下逐渐进行。当冷却到某一温度时转变停止，若该温度仍未低于马氏体终了温度($M_f$)，则未转变的奥氏体就被保留下来；对碳钢而言，冷至零度以下时这部分奥氏体才可能继续转变为马氏体^[1]。

化学成分是决定残留量的首要因素。碳和锰、铬等合金元素溶入奥氏体会降低$M_s$与$M_f$点，并提高过冷奥氏体的稳定性，使淬火后保留的奥氏体增多；因此高碳高合金钢的残留奥氏体通常明显多于低碳钢^[2][5]。淬火加热温度越高、保温时间越长，溶入奥氏体的碳与合金元素越多，残留量也随之上升^[5]。

几何约束与相变体积效应也起作用。奥氏体密度大于马氏体，转变为马氏体时体积膨胀，周围已转变的基体对剩余奥氏体形成压应力，使其难以继续转变而留存下来^[1][6]。此外，碳原子向残留奥氏体富集可提高其稳定性，淬火-配分(Q&P)工艺正是利用马氏体中过饱和碳向邻近奥氏体扩散，使奥氏体在室温下得以保留^[7][8]。

残留量通常以体积分数或质量分数表示，可用金相法、磁性法和X射线衍射法测定。机械行业标准JB/T 14006—2020规定，X射线衍射法测量零件表面约10微米深度以内的残留奥氏体，磁测法测量表面0.2至3毫米深度范围内的残留奥氏体^[9]。

发展历程

残留奥氏体现象在早期热处理实践中即被注意，但长期主要被视作淬火不完全的缺陷。20世纪后期，研究者系统考察其数量对硬度、尺寸稳定性和耐磨性的影响，并发展了冷处理、多次回火等减少残留量的工艺，相关讨论在1980年前后的专业文献中已有集中反映^[10]。

2003年，Speer等人提出淬火-配分工艺，把残留奥氏体由需要消除的残余相转变为可设计利用的组织组成，通过中断淬火加碳配分使其在室温稳定存在^[7]。2009年，工业冷轧淬火-配分钢板实现试制，此后该类钢被作为第三代汽车用先进高强钢加以研究^[7]。

检测手段也随之标准化。国际上有ASTM E975、ISO 13520等针对钢中残留奥氏体测定的方法标准，中国则发布了JB/T 14006—2020，对高碳铬轴承钢零件的X射线衍射法与磁测法检测作出规程性规定^[11]。

应用

在轴承与精密零件制造中，残留奥氏体含量是质量控制指标。高碳铬轴承钢零件淬火后常残留一定量奥氏体，检测其含量可用于评估热处理效果，并通过冷处理与回火把含量控制在规定范围内^[5]。

在先进高强钢领域，残留奥氏体被有意保留。淬火-配分钢的典型组织由马氏体、铁素体和5%至10%经碳富集稳定的残留奥氏体组成，抗拉强度可达980至1180兆帕级，同时保持较好成形性，用于汽车横向构件、纵梁、B柱加强件、门槛和保险杠加强件等结构件与安全件^[7]。

在工模具与高速钢中，残留奥氏体与二次淬火、多次回火工艺相关。高合金钢在500至600℃回火时奥氏体析出碳化物、合金元素含量下降，$M_s$点回升至室温以上，冷却过程中残留奥氏体转变为马氏体，从而提高硬度^[2]。

在冷处理工艺中，淬火后继续冷至室温以下（常用约−80℃）并保温1至2小时，可使残留奥氏体进一步转变为马氏体，提高硬度并稳定工件尺寸，精密量具等对尺寸稳定性要求高的零件常采用此法^[12]。

局限

残留奥氏体在热力学上多属亚稳定状态，使用过程中可能继续转变为马氏体。由此带来的体积变化会引起工件尺寸漂移，对精密配合件影响明显，常规回火往往不能使其完全转变或稳定^[5][6]。

含残留奥氏体较多的淬火组织硬度偏低，耐磨性也会下降，并易在磨削等加工中引发裂纹与变形^[10][13]。冷处理虽能降低残留量，但淬火后若在室温停留过久，奥氏体发生稳定化，冷处理效果会变差；冷处理本身也可能因组织应力而在形状复杂件上引起开裂^[12][5]。

残留奥氏体的定量测定也存在方法性限制：金相法依赖二维截面推断三维组织，结果受制样与判读影响；磁性法利用奥氏体为非铁磁相的特点，但碳化物等非磁性相会带来干扰；X射线衍射法精度较高，却主要反映表层有限深度的信息^[9]。不同方法之间不宜直接横向比较，需要按相应标准规定的方法与条件进行评价^[11]。

参见

• 奥氏体 —— 残留奥氏体所属的相，为碳在面心立方铁中的固溶体。

• 马氏体 —— 淬火时奥氏体转变的主要产物，其转变不完全即留下残留奥氏体。

• 淬火 —— 产生残留奥氏体的基本热处理工序。

• 冷处理 —— 将淬火件继续冷至室温以下以减少残留奥氏体的工艺。

• 回火 —— 通过加热使残留奥氏体分解、转变或稳定化的工序。

• 淬火-配分工艺 —— 有意利用碳富集获得稳定残留奥氏体的热处理工艺。