Аустенит , также известный как гамма-фазное железо ( γ-Fe ), представляет собой металлический немагнитный аллотроп железа или твердый раствор железа с легирующим элементом. [1] В простой углеродистой стали аустенит существует при температуре выше критической эвтектоидной температуры 1000 К (727 ° C); другие сплавы стали имеют разные температуры эвтектоида. Аллотроп аустенита назван в честь сэра Уильяма Чендлера Робертса-Остина (1843–1902). [2] Он существует при комнатной температуре в некоторых нержавеющих сталях из-за присутствия никеля, стабилизирующего аустенит при более низких температурах.
От 912 до 1394 ° C (от 1674 до 2541 ° F) альфа-железо претерпевает фазовый переход от объемно-центрированной кубической (BCC) к гранецентрированной кубической (FCC) конфигурации гамма-железа, также называемой аустенитом. Он такой же мягкий и пластичный, но может растворять значительно больше углерода (до 2,03% по массе при 1146 ° C (2095 ° F)). Эта гамма-форма железа присутствует в наиболее часто используемом типе нержавеющей стали [ нужна ссылка ] для изготовления оборудования для больниц и предприятий общественного питания.
Аустенитизация означает нагрев железа, металла на основе железа или стали до температуры, при которой кристаллическая структура меняется с феррита на аустенит. [3] Более открытая структура аустенита способна поглощать углерод из карбидов железа в углеродистой стали. Неполная первоначальная аустенитизация может привести к тому, что в матрице останутся нерастворенные карбиды . [4]
Для некоторых металлов железа, металлов на основе железа и сталей на стадии аустенитизации может наблюдаться присутствие карбидов. Обычно для этого используется термин « двухфазная аустенизация» . [5]
Аустемперирование — это процесс закалки, который используется для металлов на основе железа для улучшения механических свойств. Металл нагревается до аустенитной области диаграммы состояния железо- цементит , а затем закаливается в соляной ванне или другой теплоотводящей среде с температурой 300–375 °C (572–707 °F). В этом диапазоне температур металл отжигается до тех пор, пока аустенит не превратится в бейнит или аусферрит (бейнитный феррит + высокоуглеродистый аустенит). [6]
Изменяя температуру аустенитизации, процесс аустенитизации может дать различные желаемые микроструктуры. [7] Более высокая температура аустенитизации может привести к более высокому содержанию углерода в аустените, тогда как более низкая температура приводит к более равномерному распределению аустенитной структуры. [7] Установлено содержание углерода в аустените в зависимости от времени аустенита. [8]
По мере охлаждения аустенита углерод диффундирует из аустенита и образует богатый углеродом карбид железа (цементит) и оставляет после себя феррит с низким содержанием углерода . В зависимости от состава сплава может образовываться наслоение феррита и цементита, называемое перлитом . Если скорость охлаждения очень быстрая, углерод не успевает диффундировать, и в сплаве может возникнуть сильное искажение решетки, известное как мартенситное превращение , при котором он превращается в мартенсит , объемно-центрированную тетрагональную структуру (BCT). Скорость охлаждения определяет относительные пропорции мартенсита, феррита и цементита и, следовательно, определяет механические свойства получаемой стали, такие как твердость и прочность на разрыв .
Высокая скорость охлаждения толстых срезов приведет к резкому температурному градиенту в материале. Наружные слои термообработанной детали будут охлаждаться быстрее и сильнее сжиматься, что приведет к растяжению и термической деформации. При высоких скоростях охлаждения материал преобразуется из аустенита в мартенсит, который намного тверже и приводит к образованию трещин при гораздо более низких деформациях. Изменение объема (мартенсит менее плотен, чем аустенит) [9] также может вызывать напряжения. Разница в скоростях деформации внутренней и внешней части детали может привести к развитию трещин во внешней части, что вынуждает использовать более медленные скорости закалки, чтобы избежать этого. Легирование стали вольфрамом замедляет диффузию углерода и превращение в аллотроп BCT происходит при более низких температурах, что позволяет избежать растрескивания. Говорят, что такой материал имеет повышенную прокаливаемость. Отпуск после закалки преобразует часть хрупкого мартенсита в отпущенный мартенсит. Если закалить сталь с низкой прокаливаемостью, значительное количество аустенита останется в микроструктуре, в результате чего сталь останется с внутренними напряжениями, которые сделают изделие склонным к внезапному разрушению.
Нагревание белого чугуна [ уточнить ] выше 727 °C (1341 °F) вызывает образование аустенита в кристаллах первичного цементита. [10] Эта аустенизация белого железа происходит в первичном цементите на границе раздела фаз с ферритом. [10] Когда зерна аустенита образуются в цементите, они возникают в виде пластинчатых кластеров, ориентированных вдоль поверхности кристаллического слоя цементита. [10] Аустенит образуется в результате диффузии атомов углерода из цементита в феррит. [10] [11]
Добавление некоторых легирующих элементов, таких как марганец и никель , может стабилизировать аустенитную структуру, облегчая термообработку низколегированных сталей . В крайнем случае аустенитной нержавеющей стали гораздо более высокое содержание легирующих элементов делает эту структуру стабильной даже при комнатной температуре.
С другой стороны, такие элементы, как кремний , молибден и хром, имеют тенденцию дестабилизировать аустенит, повышая температуру эвтектоида.
Аустенит стабилен только при температуре выше 910 ° C (1670 ° F) в объемной форме металла. Однако ГЦК-переходные металлы можно выращивать на гранецентрированном кубе (ГЦК) или алмазном кубе . [12] Эпитаксиальный рост аустенита на грани алмаза (100) возможен из-за близкого совпадения решеток и симметрии грани алмаза (100) является ГЦК. Можно вырастить более одного монослоя γ-железа, поскольку критическая толщина напряженного мультислоя больше, чем монослоя. [12] Определенная критическая толщина находится в близком соответствии с теоретическим предсказанием. [12]
Во многих магнитных ферросплавах точка Кюри , температура, при которой магнитные материалы перестают вести себя магнитно, возникает почти при той же температуре, что и аустенитное превращение. Такое поведение объясняется парамагнитной природой аустенита, в то время как мартенсит [13] и феррит [14] [15] являются сильно ферромагнитными .
Во время термообработки кузнец вызывает фазовые изменения в системе железо-углерод , чтобы контролировать механические свойства материала, часто используя процессы отжига, закалки и отпуска. В этом контексте цвет света, или « излучения черного тела », испускаемого заготовкой, является приблизительным показателем температуры . Температуру часто измеряют, наблюдая за цветовой температурой произведения, при этом переход от глубокого вишнево-красного к оранжево-красному (от 815 ° C (1499 ° F) до 871 ° C (1600 ° F)) соответствует образованию аустенит в средне- и высокоуглеродистой стали. В видимом спектре яркость этого свечения увеличивается с повышением температуры. Когда он вишнево-красный, свечение имеет минимальную интенсивность и может быть не заметно при окружающем освещении. Поэтому кузнецы обычно аустенизируют сталь в условиях низкой освещенности, чтобы точно оценить цвет свечения.
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )