Аустенит - Austenite

Не путать с Остинит.
Стали
FagerstaRAÄ2.jpg
Микроструктуры
Классы
Другие материалы на основе железа
Фазовая диаграмма железо-углерод, показывающая условия, при которых аустенит (γ) стабильна в углеродистой стали.
Аллотропы железа; альфа-железо и гамма-железо

Аустенит, также известный как гамма-фаза железа (γ-Fe), представляет собой металлический немагнитный аллотроп железа или Твердый раствор из утюг, с легирование элемент.[1] В Обычная углеродистая сталь, аустенит существует выше критического эвтектоид температура 1000 К (727 ° С); другие сплавы стали имеют разные эвтектоидные температуры. Аллотроп аустенита назван в честь сэра Уильям Чендлер Робертс-Остин (1843–1902);[2] он существует при комнатной температуре в некоторых нержавеющих сталях из-за присутствия никеля, стабилизирующего аустенит при более низких температурах.

Аллотроп железа

От 912 до 1394 ° C (от 1674 до 2541 ° F) альфа-железо подвергается фаза перехода из объемно-центрированный кубический (BCC) в гранецентрированная кубическая (FCC) конфигурация 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 используемых типах нержавеющая сталь[нужна цитата ] для изготовления оборудования для больниц и общепита.

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

Основная статья: Аустемперирование

Аустемперинг - это процесс закалки, который используется на железной основе. металлы для улучшения механических свойств. Металл нагревается до аустенитной области железа.цементит фазовая диаграмма а затем закаливают в соляной бане 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 аустенизации, в процессе аустенизации можно получить различные желаемые микроструктуры.[7] Более высокая температура аустенитизации 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 аустенитной обработки.[8]

Поведение в простой углеродистой стали

По мере охлаждения аустенита углерод диффундирует из аустенита и образует богатый углеродом карбид железа (цементит) и оставляет после себя бедный углеродом. феррит. В зависимости от состава сплава образуется наслоение феррита и цементита, называемое перлит, может образоваться. Если скорость охлаждения очень высокая, углерод не успевает диффундировать, и сплав может испытывать большие решетка искажение, известное как мартенситное превращение в котором он превращается в мартенсит, а Телоцентрированная тетрагональная структура (BCT). Скорость охлаждения 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] могут также создавать напряжения. Разница в скоростях деформации внутренней и внешней части детали может привести к развитию трещин во внешней части, что вынуждает использовать более низкие скорости закалки, чтобы избежать этого. Легированием стали вольфрам диффузия углерода замедляется, и превращение в аллотроп BCT происходит при более низких температурах, что позволяет избежать растрескивания. Считается, что у такого материала повышена закаливаемость. Темперирование после закалки часть хрупкого мартенсита преобразуется в отпущенный мартенсит. Если сталь с низкой закаливаемостью 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

Отопление белый чугун 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 путем диффузии атомов углерода из цементита в феррит.[10][11]

Стабилизация

Добавление некоторых легирующих элементов, таких как марганец и никель, может стабилизировать аустенитную структуру, облегчая термическую обработку низколегированные стали. В крайнем случае аустенитная нержавеющая сталь, 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 гранецентрированная кубическая (fcc) или алмаз кубический.[12] Эпитаксиальный рост аустенита на грани алмаза (100) возможен из-за близкого согласования решеток и симметрии грани алмаза (100) ГЦК. Можно вырастить более монослоя γ-железа, поскольку критическая толщина напряженного мультислоя больше, чем монослой.[12] Определенная критическая толщина хорошо согласуется с теоретическим предсказанием.[12]

Превращение аустенита и точка Кюри

Во многих магнитных сплавах черных металлов Точка Кюри, температура, при которой магнитные материалы перестают вести себя магнитно, происходит почти при той же температуре, что и превращение аустенита. Такое поведение объясняется парамагнитный природа аустенита, в то время как оба мартенсита[13] и феррит[14][15] сильно ферромагнитный.

Термооптическое излучение

В течение термическая обработка, а кузнец вызывает фазовые изменения в системе железо-углерод для управления механическими свойствами материала, часто с использованием процессов отжига, закалки и отпуска. В этом контексте цвет света, или "излучение черного тела, ", излучаемый заготовкой, является приблизительным датчик температуры. Температуру часто измеряют, наблюдая за цветовая температура работы, с переходом от темно-вишнево-красного к оранжево-красному (от 815 ° C (1499 ° F) до 871 ° C (1600 ° F)), соответствующего образованию аустенита 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 при окружающем свете. Поэтому кузнецы обычно аустенитизируют сталь в условиях низкой освещенности, чтобы точно определить цвет свечения.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Рид-Хилл Р., Аббашиан Р. (1991). Принципы физической металлургии (3-е изд.). Бостон: PWS-Kent Publishing. ISBN  978-0-534-92173-6.
  2. ^ Правительство ПБ, изд. (1963). Седьмой новый университетский словарь Вебстера. Спрингфилд, Массачусетс, США: G&C Merriam Company. п. 58.
  3. ^ Nichols R (июль 2001 г.). «Закалка и отпуск сварных труб из углеродистой стали».
  4. ^ Lambers HG, Tschumak S, Maier HJ, Canadinc D (апрель 2009 г.). «Роль аустенизации и предварительной деформации в кинетике изотермического бейнитного превращения». Металл Матер Транс А. 40 (6): 1355–1366. Bibcode:2009MMTA..tmp ... 74L. Дои:10.1007 / s11661-009-9827-z. S2CID  136882327.
  5. ^ «Аустенизация».
  6. ^ Киликли В., Эрдоган М. (2008). «Поведение при деформационном упрочнении частично аустенитизированного и подвергнутого обработке закалкой высокопрочного чугуна с двойной матричной структурой». J Mater Eng Perf. 17 (2): 240–9. Bibcode:2008JMEP ... 17..240K. Дои:10.1007 / s11665-007-9143-у. S2CID  135484622.
  7. ^ 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. Дои:10.1361/105994903100277120. S2CID  135865284.
  8. ^ 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. Дои:10.1007 / s10853-006-0127-3. S2CID  137527848.
  9. ^ 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.
  10. ^ а б c d Ершов В.М., Некрасова Л.С. (янв 1982). «Превращение цементита в аустенит». Металл Sci Heat Treat. 24 (1): 9–11. Bibcode:1982МШТ ... 24 .... 9Э. Дои:10.1007 / BF00699307. S2CID  136543311.
  11. ^ 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». Металл Матер Транс А. 46 (1): 123–133. Bibcode:2015MMTA ... 46..123A. Дои:10.1007 / s11661-014-2600-у. S2CID  136871961.
  12. ^ а б c 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. Дои:10.1016 / 0039-6028 (94) 00787-X.
  13. ^ 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. Дои:10.1016 / j.jmatprotec.2007.10.029. Получено 4 сентября 2019.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  14. ^ Маранян, Питер (2009), Снижение хрупкого и усталостного разрушения стальных конструкций, Нью-Йорк: Американское общество инженеров-строителей, ISBN  978-0-7844-1067-7.
  15. ^ Гринвуд, Норман Н.; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN  978-0-08-037941-8.