Аустенит , также известный как гамма-фаза железа ( γ-Fe ) , представляет собой металлический немагнитный аллотроп железа или твердый раствор железа с легирующим элементом. [1] В обычной углеродистой стали аустенит существует выше критической эвтектоидной температуры 1000 К (727 °C); другие сплавы стали имеют другие эвтектоидные температуры. Аллотроп аустенита назван в честь сэра Уильяма Чандлера Робертса-Остена (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 из объемно-центрированной кубической (ОЦК) в гранецентрированную кубическую (ГЦК) конфигурацию гамма-железа, также называемую аустенитом. Она также мягкая и пластичная, 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 [ требуется ссылка ] для изготовления оборудования для больниц и предприятий общественного питания.
Аустенизация означает нагревание железа, металла на основе железа или стали до температуры, при которой он меняет кристаллическую структуру с феррита на аустенит. [3] Более открытая структура аустенита затем способна поглощать углерод из карбидов железа в углеродистой стали. Неполная начальная аустенизация может оставить нерастворенные карбиды в матрице. [4]
Для некоторых металлов железа, металлов на основе железа и сталей присутствие карбидов может происходить во время стадии аустенизации. Термин, обычно используемый для этого, - двухфазная аустенизация . [5]
Аустенитная закалка — это процесс закалки, который используется для металлов на основе железа для улучшения механических свойств. Металл нагревается до аустенитной области фазовой диаграммы железо- цементит , а затем закаливается в соляной ванне или другой среде для извлечения тепла, которая находится в диапазоне температур 300–375 °C (572–707 °F). Металл отжигается в этом диапазоне температур до тех пор, пока аустенит не превратится в бейнит или аусферрит (бейнитный феррит + высокоуглеродистый аустенит). [6]
Изменяя температуру аустенизации, процесс аустенизации может давать различные и желаемые микроструктуры. [7] Более высокая температура аустенизации может давать более высокое содержание углерода в аустените, тогда как более низкая температура дает более равномерное распределение аустенизированной структуры. [7] Было установлено содержание углерода в аустените как функция времени аустенизации. [8]
По мере охлаждения аустенита углерод диффундирует из аустенита и образует богатый углеродом карбид железа (цементит), оставляя после себя бедный углеродом феррит . В зависимости от состава сплава может образоваться наслоение феррита и цементита, называемое перлитом . Если скорость охлаждения очень высокая, углерод не успевает диффундировать, и сплав может претерпеть 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 предел прочности на разрыв .
Высокая скорость охлаждения толстых секций вызовет крутой температурный градиент в материале. Внешние слои термообработанной детали будут охлаждаться быстрее и сильнее сжиматься, заставляя ее находиться под напряжением и термической деформацией. При высоких скоростях охлаждения материал преобразуется из аустенита в мартенсит, который намного тверже и будет генерировать трещины при гораздо меньших деформациях. Изменение объема (мартенсит менее плотный, чем аустенит) [9] также может генерировать напряжения. Разница в скоростях деформации внутренней и внешней части детали может привести к образованию трещин во внешней части, что вынуждает использовать более медленные скорости закалки, чтобы избежать этого. При легировании стали вольфрамом диффузия углерода замедляется, и превращение в аллотроп BCT происходит при более низких температурах, тем самым избегая растрескивания. Говорят, что такой материал имеет повышенную прокаливаемость. Отпуск после закалки преобразует часть хрупкого мартенсита в отпущенный мартенсит. Если закалить сталь с низкой прокаливаемостью, в микроструктуре сохранится значительное количество аустенита, в результате чего в стали возникнут внутренние напряжения, из-за которых изделие будет подвержено внезапному разрушению.
По мере охлаждения аустенита его распад играет решающую роль в определении окончательной микроструктуры стали. Кинетика этого превращения сильно зависит от морфологии карбидов, присутствующих в материале. Например, присутствие крупных карбидов может замедлить скорость образования аустенита во время межкритического отжига из-за их медленной кинетики растворения. [10] Перлит, пластинчатая структура, состоящая из чередующихся слоев феррита и цементита, образуется посредством кооперативных процессов зародышеобразования и роста из аустенита. Толщина этих слоев оказывает непосредственное влияние на механические свойства стали. [10]
Распад аустенита зависит от скорости охлаждения, которая влияет на морфологию карбидов и, таким образом, на конечную структуру стали. Медленные скорости охлаждения допускают развитие крупных частиц цементита на границах зерен, в то время как более высокие скорости охлаждения способствуют образованию мелких перлитных колоний. Температура намотки, в частности, оказывает значительное влияние на морфологию карбида: более низкие температуры намотки (ниже эвтектоидной температуры) способствуют образованию мелкого перлита, в то время как более высокие температуры способствуют образованию крупного цементита. [10] Это различие в морфологии карбида влияет на скорость и температуру, при которых аустенит образуется и распадается во время последующих термообработок. [10]
Нагрев белого чугуна (содержащего карбид железа, т. е. цементит, но не содержащего несвязанного углерода) выше 727 °C (1341 °F) вызывает образование аустенита в кристаллах первичного цементита. [11] Эта аустенизация белого чугуна происходит в первичном цементите на границе раздела фаз с ферритом. [11] Когда зерна аустенита образуются в цементите, они возникают в виде пластинчатых кластеров, ориентированных вдоль поверхности слоя кристаллов цементита. [11] Аустенит образуется путем диффузии атомов углерода из цементита в феррит. [11] [12]
Добавление определенных легирующих элементов, таких как марганец и никель , может стабилизировать аустенитную структуру, облегчая термическую обработку 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 эвтектоидную температуру.
Аустенит стабилен только при температуре выше 910 °C (1670 °F) в объемной металлической форме. Однако переходные металлы с ГЦК-структурой можно выращивать на гранецентрированной кубической (ГЦК) или алмазной кубической решетке . [13] Эпитаксиальный рост аустенита на грани алмаза (100) возможен из-за близкого соответствия решеток, а симметрия грани алмаза (100) — ГЦК. Можно вырастить более монослоя γ-железа, поскольку критическая толщина для напряженного многослойного кристалла больше монослоя. [13] Определенная критическая толщина хорошо согласуется с теоретическим предсказанием. [13]
Во многих магнитных ферросплавах точка Кюри , температура, при которой магнитные материалы перестают вести себя как магниты, наступает почти при той же температуре, что и превращение аустенита. Такое поведение объясняется парамагнитной природой аустенита, в то время как и мартенсит [14] , и феррит [15] [16] являются сильными ферромагнитными .
Во время термообработки кузнец вызывает фазовые изменения в системе железо-углерод для управления механическими свойствами материала, часто используя процессы отжига, закалки и отпуска. В этом контексте цвет света или « излучение черного тела », испускаемое заготовкой, является приблизительным показателем температуры . Температура часто измеряется путем наблюдения за цветовой температурой заготовки, при этом переход от глубокого вишнево-красного к оранжево-красному (815 °C (1499 °F) до 871 °C (1600 °F)), что соответствует образованию аустенита в средне- и высокоуглеродистой стали. В видимом спектре это свечение увеличивается по яркости с ростом температуры. Когда свечение вишнево-красное, оно близко к своей самой низкой интенсивности и может быть не видно при окружающем свете. Поэтому кузнецы обычно аустенизируют сталь в условиях низкой освещенности, чтобы точно оценить цвет свечения.
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )