什么是残余奥氏体？

淬火后不转变奥氏体称为残余奥氏体（RA）。因此，当钢没有淬火到Mf（或马氏体光洁度）温度时，就会出现残余奥氏体；也就是说，温度没有低到足以形成100%的马氏体。

由于含碳量超过0.30%的合金中的Mf低于室温，因此在室温下可能存在大量未转化的残余奥氏体，并与马氏体混合。

图 残余奥氏体（白色）与马氏体混合组织

残余奥氏体是钢铁的一种特殊组织。图中深色针状物为回火马氏体晶体，浅色区域为残余奥氏体晶体。残余奥氏体的数量与碳含量、合金含量（尤其是镍和锰）、淬火介质温度以及随后的热处理和/或机械处理有关。

残奥如何影响焊缝吸氢?

美国科罗拉多矿业学院 PARK等人制备了四种不同奥氏体体积分数的试样：AISI 304型不锈钢、超级双相不锈钢、双相钢（12%的残余奥氏体）、高强度低合金钢（HSLA）焊缝熔敷层（4%和0%的残余奥氏体），研究了残余奥氏体在高强钢焊缝中对吸氢行为的影响。

每个样品通过气态充入99.9%纯氢，用热脱附分析观察了氢的捕集和脱附行为。采用热脱附分析方法，研究了外加塑性应变和降温对双相钢（12vol-%残余奥氏体）的影响。

研究表明，残余奥氏体是一个具有较高结合能的相内氢陷阱。与使用条件变化相关的显微组织转变可能导致产生的马氏体相中的扩散氢含量高，被称为最易受氢致开裂（HAC）影响的微观组织结构。

残奥影响钢的尺寸稳定性？

如果温度明显低于淬火时的最低温度，或者室温奥氏体承受较高的机械应力，残余奥氏体将转变为马氏体。

马氏体是一种体心四方结构，其体积比它所取代的面心立方奥氏体大。

在发生相变的地方，室温下微观结构的体积将局部增加4-5%，从而导致部件几何尺寸的变化。

如果足够大，这种尺寸变化可能更显著，在严重情况下，甚至导致裂纹萌生。  

残奥如何影响构件失效？

残余奥氏体是工具和模具工业中极不理想的组分。残余奥氏体被认为是导致过早失效的主要原因。

残余奥氏体硬度低与大多数需要最大可达硬度以抵抗磨损的应用不兼容。轴承和齿轮行业更倾向于保留一些残余奥氏体（通过光学金相学确定5%到30%，通常通过与已知标准进行比较）。

虽然影响模具应用的一些相同的机制也会影响齿轮，但有一些重要差异。齿轮通常由表面硬化钢制成，具有较高的冲击强度。

虽然大多数刀具因磨损或断裂而失效，但许多齿轮失效归因于齿面剥落。剥落是一种渐进的宏观匹配，它发生在凹坑合并形成不规则的剥落坑，覆盖了轮齿表面的一个重要区域。

当金属构件的表面承受反复的循环荷载时，就会发生剥落。裂纹形成并发展，直到表面的一小部分松动，损坏表面并向系统添加碎屑。

齿轮工业通过抑制裂纹扩展来平衡轮齿中残余奥氏体的数量，从而延缓剥落的发生。 

残奥是否影响零件性能？

正是这些特性赋予了残余奥氏体许多独特的性能，正是这些特性导致了大多数应用中的重大问题。我们知道奥氏体在高温下是钢的正常相，但在室温下不是。

由于残余奥氏体存在于其正常温度范围之外，它是亚稳的。这意味着当有机会时，它将从奥氏体转变为马氏体。此外，伴随着这种转变体积变大，并在零部件中引起较大的内应力，通常表现为诱发裂纹。

马氏体是硬、强、脆的，而奥氏体是软而韧的。在某些情况下，当结合时，奥氏体和马氏体的混合物产生了一种复合效应，这种效应使各自的优点得到彰显，同时弥补了两者的缺点。

对于任何给定的应用，机械性能都会受到较高比例残余奥氏体含量的影响。  

残奥如何影响拉伸行为？

西班牙科研人员Carlos García-Mateo和Francisca G. Caballero对具有贝氏体组织的高碳、富硅钢力学性能进行了试验，获得了前所未有的拉伸性能，这在贝氏体钢中是前所未有的。

图 残余奥氏体影响钢拉伸行为

研究表明，在奥氏体具有机械稳定性的理想情况，总延伸率为4.6-29%，强度高达2.2 GPa。强度主要受细晶铁素体板条厚度及其位错密度的控制。

而塑性则由残余奥氏体的数量及其通过增加应变硬化提高总延伸率的能力来控制，通过应变诱发奥氏体转变为马氏体，即所谓的TRIP效应。 

残奥影响疲劳和冲击性能？

低含量残余奥氏体和细小的奥氏体晶粒，形成细小分散的残余奥氏体和回火马氏体的微观结构，有助于防止疲劳裂纹的形核，或延缓疲劳裂纹的萌生，直到达到非常高的应力水平。

这里必须指出，残奥对钢的疲劳行为的影响很复杂。在高周疲劳和低周疲劳中表现截然相反。增强低周疲劳，不利于高周疲劳。它在二者之间是如何转变的呢？值得广大读者思考和研究。

冲击强度是衡量钢在受到猛烈打击时抵抗断裂的能力。奥氏体不仅非常坚韧，而且具有比马氏体更高的冲击强度。

钢的冲击强度随奥氏体含量的增加而增加。更高的冲击强度可以提供额外的保护，防止开裂，反过来，有助于防止此类问题，如剥落。

重要的是要认识到，在给定应用条件下，必须在零部件的机械性能和最佳残余奥氏体百分比之间建立平衡。

图 残余奥氏体与性能关系

许多人感兴趣的一种疲劳性能是滚动接触疲劳。残余奥氏体有两个方面可以提高滚动接触疲劳寿命。

首先，残余奥氏体固有的延展性有助于延缓裂纹扩展，因为裂纹形成时尖端会钝化。

其次，随着残余奥氏体在使用过程中的转变，残余压应力增加。这些压应力通过像台钳一样作用和夹紧裂纹来延迟裂纹扩展。这些好处不存在于残留奥氏体含量较低的零件中。

残奥如何影响钢的接触疲劳？

对高残留奥氏体渗碳斜齿轮进行了表面接触疲劳试验。试验前残余奥氏体为60%，与表层硬度低有关。然而，试验齿轮表现出良好的抗点蚀性能，疲劳强度大于1380mpa。

对一个齿轮进行的详细检验，发现在试验过程中约50%的初始残余奥氏体转变为马氏体。相变是应力或应变诱发和驱动的，仅限于表面10μm厚的薄层。

表面接触疲劳强度的增加归因于机械转化层中残余压应力和硬度的增加。 

高性能齿轮经过表面硬化处理，以增加表面层的硬度，从而提高表面接触疲劳的抗力。

表面渗碳广泛用于提升齿轮和轴承的接触疲劳性能。渗碳使碳含量增加到0.8%到1.0%之间。

此外，后续热处理也用于产生回火马氏体组织和一些残余奥氏体。齿轮应用中的许多标准热处理要求残余奥氏体在15-20%的范围内。

另一方面，在航空航天应用中，其他标准要求通过零下冷却将残余奥氏体减少到4%以下。 

一般来说，残余奥氏体对疲劳的影响并不完全清楚。Zaccone等人指出，高含量的残余奥氏体增加了低至中循环范围内弯曲疲劳强度，但降低了高循环状态下的疲劳强度。

一种解释是：残余奥氏体比回火马氏体更软，具有较高的断裂韧性，这在低周疲劳状态下是有益的，在低周疲劳状态下，大部分的断裂寿命都是由第二阶段裂纹扩展决定的。

认为残余奥氏体在靠近表面的薄层中由应力诱导转变为马氏体是获得较好的抗点蚀疲劳性能的原因。

参考文献： 

[1] Carlos García-Mateo and Francisca G. Caballero. The Role of Retained Austenite on Tensile Properties of Steels with Bainitic Microstructures.Materials Transactions, Vol. 46, No. 8 (2005) pp. 1839 to 1846.

[2] Daniel H. Herring.A Discussion of Retained Austenite. | 630.834.3017 | dherring@heat-treat-doctor.com. 

[3] BY Y. D. PARK, I. S. MAROEF, A. LANDAU, AND D. L. OLSON. Retained Austenite as a Hydrogen Trap in Steel Welds. Hydrogen trapping is investigated as a means of improving resistance to hydrogen-assisted cracking in HSLA steels.WELDING JOURNAL.