Аустенит , также известный как гамма-фаза железа ( гамма-Fe ), представляет собой металлический, немагнитный аллотроп железа или твердый раствор из железа , с легирующим элементом. [1] В простой углеродистой стали аустенит существует выше критической эвтектоидной температуры 1000 K (727 ° C); другие сплавы стали имеют разные эвтектоидные температуры. Аллотроп аустенита назван в честь сэра Уильяма Чендлера Робертс-Остина (1843–1902); [2] он существует при комнатной температуре в некоторых нержавеющих сталях из-за присутствия никеля, стабилизирующего аустенит при более низких температурах.
Аллотроп железа
При температуре от 912 до 1394 ° C (от 1674 до 2541 ° F) альфа-железо претерпевает фазовый переход от объемно-центрированной кубической (ОЦК) к гранецентрированной кубической (ГЦК) конфигурации гамма-железа, также называемого 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 [ цитата необходима ] для изготовления оборудования для больниц и предприятий общественного питания.
Материал
Аустенизация означает нагрев железа, металла на основе железа или стали до температуры, при которой кристаллическая структура меняется с феррита на аустенит. [3] Тогда более открытая структура аустенита способна поглощать углерод из карбидов железа в углеродистой стали. Неполная начальная аустенизация может оставить нерастворенные карбиды в матрице. [4]
Для некоторых железных металлов, металлов на основе железа и сталей присутствие карбидов может происходить во время стадии аустенизации. Обычно для этого используется термин двухфазная аустенизация . [5]
Аустемперирование
Austempering - это процесс закалки, который используется для металлов на основе железа для улучшения механических свойств. Металл нагревают до аустенитной области фазовой диаграммы железо- цементит, а затем закаливают в соляной ванне или другой теплоотводящей среде, температура которой 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, в процессе аустенизации можно получить различные желаемые микроструктуры. [7] Более высокая температура аустенизации может привести к более высокому содержанию углерода в аустените, тогда как более низкая температура обеспечивает более равномерное распределение закаленной структуры. [7] Установлено содержание углерода в аустените в зависимости от времени закалки. [8]
Поведение в простой углеродистой стали
Когда аустенит охлаждается, углерод диффундирует из аустенита и образует богатый углеродом карбид железа (цементит) и оставляет после себя бедный углеродом феррит . В зависимости от состава сплава может образовываться слой феррита и цементита, называемый перлитом . Если скорость охлаждения очень высокая, углерод не успевает диффундировать, и сплав может испытывать сильное искажение решетки, известное как мартенситное превращение, при котором он превращается в мартенсит , объемно-центрированную тетрагональную структуру (BCT). охлаждение определяет относительные пропорции мартенсита, феррита и цементита и, следовательно, определяет механические свойства получаемой стали, такие как твердость и предел прочности .
Высокая скорость охлаждения толстых секций вызовет резкий температурный градиент в материале. Внешние слои термообработанной детали будут быстрее остывать и сильнее сжиматься, вызывая растяжение и термическое окрашивание. При высоких скоростях охлаждения материал превратится из аустенита в мартенсит, который намного тверже и будет образовывать трещины при гораздо более низких деформациях. Изменение объема (мартенсит менее плотный, чем аустенит) [9] также может создавать напряжения. Разница в скоростях деформации внутренней и внешней части детали может вызвать образование трещин во внешней части, что вынуждает использовать более низкие скорости закалки, чтобы избежать этого. Благодаря легированию стали вольфрамом диффузия углерода замедляется, и превращение в аллотроп BCT происходит при более низких температурах, что позволяет избежать растрескивания. Считается, что у такого материала повышена закаливаемость. При отпуске после закалки часть хрупкого мартенсита преобразуется в отпущенный мартенсит. Если сталь с низкой закаливаемой закалкой подвергается закалке, значительное количество аустенита будет оставаться в микроструктуре, в результате чего сталь будет испытывать внутренние напряжения, которые делают продукт склонным к внезапному разрушению.
Поведение в чугуне
Нагрев белого чугуна 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 появляются в виде пластинчатых кластеров, ориентированных вдоль поверхности кристаллического слоя цементита. [10] Аустенит образуется в результате диффузии атомов углерода из цементита в феррит. [10] [11]
Стабилизация
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 сплава 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 металлической массе. Однако переходные металлы с ГЦК можно выращивать на гранецентрированном кубе (ГЦК) или кубике алмаза . [12] Эпитаксиальный рост аустенита на грани алмаза (100) возможен из-за близкого совпадения решеток и симметрии грани алмаза (100) ГЦК. Можно вырастить более монослоя γ-железа, поскольку критическая толщина напряженного мультислоя больше монослоя. [12] Определенная критическая толщина полностью согласуется с теоретическим предсказанием. [12]
Превращение аустенита и точка Кюри
Во многих магнитных ферросплавах точка Кюри , температура, при которой магнитные материалы перестают вести себя магнитно, возникает почти при той же температуре, что и превращение аустенита. Такое поведение объясняется парамагнитной природой аустенита, в то время как как мартенсит [13], так и феррит [14] [15] являются сильно ферромагнитными .
Термооптическое излучение
Во время термической обработки , А кузнец вызывает фазовые изменения в системе железо-углерод , с тем чтобы контролировать механические свойства материала, часто с помощью отжига, закалки и отпуска процессов. В этом контексте цвет света или « излучение черного тела », излучаемое деталью, является приблизительным показателем температуры . Температуру часто измеряют, наблюдая за цветовой температурой работы, с переходом от темно-вишнево-красного к оранжево-красному (от 815 ° C (1499 ° F) до 871 ° C (1600 ° F)), соответствующего образованию аустенит в средне- и высокоуглеродистой стали. В видимом спектре яркость этого свечения увеличивается с повышением температуры, а когда оно становится вишнево-красным, его интенсивность близка к самой низкой и может быть не видна в окружающем свете. Поэтому кузнецы обычно аустенитизируют сталь в условиях низкой освещенности, чтобы точно определить цвет свечения.
Смотрите также
- Гамма-петля
Рекомендации
- ^ Рид-Hill R, Abbaschian R (1991). Принципы физической металлургии (3-е изд.). Бостон: PWS-Kent Publishing. ISBN 978-0-534-92173-6.
- ^ Правительство ПБ, изд. (1963). Седьмой новый университетский словарь Вебстера . Спрингфилд, Массачусетс, США: G&C Merriam Company. п. 58.
- ^ Nichols R (июль 2001 г.). «Закалка и отпуск сварных труб из углеродистой стали» .
- ^ Lambers HG, Tschumak S, Maier HJ, Canadinc D (апрель 2009 г.). «Роль аустенизации и предварительной деформации в кинетике изотермического бейнитного превращения». Metall Mater Trans . 40 (6): 1355–1366. Bibcode : 2009MMTA..tmp ... 74L . DOI : 10.1007 / s11661-009-9827-Z . S2CID 136882327 .
- ^ «Аустенизация» .
- ^ Киликли В., Эрдоган М. (2008). «Поведение при деформационном упрочнении частично аустенитизированного и прошедшего остаточную обработку ковкого чугуна с двойными матричными структурами» . J Mater Eng Perf . 17 (2): 240–9. Bibcode : 2008JMEP ... 17..240K . DOI : 10.1007 / s11665-007-9143-у . S2CID 135484622 .
- ^ а б Батра У, Рэй С., Прабхакар С.Р. (2003). «Влияние аустенитизации на закалку высокопрочного чугуна, легированного медью» . Журнал материаловедения и производительности . 12 (5): 597–601. DOI : 10.1361 / 105994903100277120 . S2CID 135865284 .
- ^ Чупатанакул С., Нэш П. (август 2006 г.). «Дилатометрическое измерение обогащения углерода аустенитом при превращении бейнита». J Mater Sci . 41 (15): 4965–9. Bibcode : 2006JMatS..41.4965C . DOI : 10.1007 / s10853-006-0127-3 . S2CID 137527848 .
- ^ Эшби М.Ф., Ханкин-Джонс Д.Р. (01.01.1986). Технические материалы 2: Введение в микроструктуры, обработку и дизайн . ISBN 978-0-080-32532-3.
- ^ а б в г Ершов В.М., Некрасова Л.С. (янв 1982). «Превращение цементита в аустенит». Metal Sci Heat Treat . 24 (1): 9–11. Bibcode : 1982MSHT ... 24 .... 9E . DOI : 10.1007 / BF00699307 . S2CID 136543311 .
- ^ Альваренга HD, Ван де Путте Т., Ван Стинберг Н., Сиетсма Дж., Террин Х. (апрель 2009 г.). «Влияние морфологии и микроструктуры карбидов на кинетику поверхностного обезуглероживания C-Mn сталей». Metall Mater Trans . 46 (1): 123–133. Bibcode : 2015MMTA ... 46..123A . DOI : 10.1007 / s11661-014-2600-у . S2CID 136871961 .
- ^ а б в Hoff HA, Waytena GL, Glesener JW, Harris VG, Pappas DP (март 1995 г.). «Критическая толщина монокристалла железа с ГЦК на алмазе». Surf Sci . 326 (3): 252–66. Bibcode : 1995SurSc.326..252H . DOI : 10.1016 / 0039-6028 (94) 00787-X .
- ^ М. Бигдели Каримия, Х. Арабиб, А. Хосравания и Дж. Самей (2008). «Влияние деформации прокатки на пластичность, вызванную превращением аустенита в мартенсит в высоколегированной аустенитной стали» (PDF) . Журнал технологий обработки материалов . 203 (1–3): 349–354. DOI : 10.1016 / j.jmatprotec.2007.10.029 . Проверено 4 сентября 2019 года .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Мараньян, Питер (2009), Уменьшение хрупких и усталостных разрушений в стальных конструкциях , Нью-Йорк: Американское общество инженеров-строителей, ISBN 978-0-7844-1067-7.
- ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.