Аустенит

Аллотропы железа; альфа-железо и гамма-железо

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.

Аллотроп железа

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 больничного и пищевого оборудования.

Материал

Аустенитизация 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 первоначальная аустенитизация может привести к тому, что останутся нерастворенные карбиды . в матрице ^[4]

Для некоторых металлов железа, металлов на основе железа и сталей на этапе аустенитизации может наблюдаться присутствие карбидов. Обычно для этого используется термин « двухфазная аустенизация» . ^[5]

Аустемперирование

Аустемперирование — это процесс закалки, который используется для металлов на основе железа для улучшения механических свойств. Металл нагревается до аустенитной области железо- цементит диаграммы состояния , 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, в процессе аустенитизации 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 аустенитной структуры. ^[7] Установлено содержание углерода в аустените в зависимости от времени аустенита. ^[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 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. Внешние слои термообработанной детали будут охлаждаться быстрее и сжиматься сильнее, 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 плотный, чем аустенит) ^[9] также может вызывать стрессы. 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.

Поведение в чугуне

Нагревание белого чугуна (содержащего карбид железа, т.е. цементит, но без несвязанного углерода) 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] При формировании зерен аустенита в цементите они представляют собой пластинчатые кластеры, ориентированные вдоль поверхности кристаллического слоя цементита. ^[10] Аустенит образуется в результате диффузии атомов углерода из цементита в феррит. ^[10]^[11]

Стабилизация при более низких температурах

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.

Тонкие пленки

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 тесного соответствия решеток и симметрии грани алмаза (100) 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]

Преобразование 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 аустенитное превращение. Такое поведение объясняется парамагнитной природой аустенита, в то время как мартенсит ^[13] и феррит ^[14]^[15] сильно ферромагнитны .

Термооптическая эмиссия, цвет указывает температуру

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 видно при окружающем освещении. Поэтому кузнецы обычно аустенизируют сталь в условиях низкой освещенности, чтобы точно оценить цвет свечения.

См. также

Ссылки

^ Рид-Хилл Р., Аббашян Р. (1991). Принципы физической металлургии (3-е изд.). Бостон: Издательство PWS-Kent. ISBN 978-0-534-92173-6 .
^ Гоув ПБ, изд. (1963). Седьмой новый университетский словарь Вебстера . Спрингфилд, Массачусетс, США: Компания G&C Merriam. п. 58.
^ Николс Р. (29 июля 2001 г.). «Закалка и отпуск сварных труб из углеродистой стали» . Фабрикатор .
^ Ламберс Х.Г., Чумак С., Майер Х.Дж., Канадинк Д. (апрель 2009 г.). «Роль аустенитизации и предварительной деформации в кинетике изотермического бейнитного превращения». Металл Матер Транс А. 40 (6): 1355–1366. Бибкод : 2009MMTA...40.1355L . дои : 10.1007/s11661-009-9827-z . S2CID 136882327 .
^ «Аустенитизация» .
^ Киличли В., Эрдоган М. (2008). «Деформационное упрочнение частично аустенизированного и аустенитизированного ковкого чугуна с двойной матричной структурой» . J Mater Eng Perf . 17 (2): 240–9. Бибкод : 2008JMEP...17..240K . дои : 10.1007/s11665-007-9143-y . S2CID 135484622 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Батра У, Рэй С., Прабхакар С.Р. (2003). «Влияние аустенитизации на аустенитизацию ковкого чугуна, легированного медью» . Журнал материаловедения и производительности . 12 (5): 597–601. дои : 10.1361/105994903100277120 . S2CID 135865284 .
^ Чупатанакул С., Нэш П. (август 2006 г.). «Дилатометрическое измерение обогащения углеродом в аустените при бейнитном превращении». J Mater Sci . 41 (15): 4965–9. Бибкод : 2006JMatS..41.4965C . дои : 10.1007/s10853-006-0127-3 . S2CID 137527848 .
^ Эшби М.Ф., Ханкин-Джонс Д.Р. (1 января 1986 г.). Инженерные материалы 2: Введение в микроструктуры, обработку и дизайн . ISBN 978-0-080-32532-3 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Ершов В.М., Некрасова Л.С. (январь 1982 г.). «Превращение цементита в аустенит». Научная термообработка металла . 24 (1): 9–11. Бибкод : 1982MSHT...24....9E . дои : 10.1007/BF00699307 . S2CID 136543311 .
^ Альваренга Х.Д., Ван де Путте Т., Ван Стинберг Н., Ситсма Дж., Террин Х. (апрель 2009 г.). «Влияние морфологии и микроструктуры карбидов на кинетику поверхностного обезуглероживания сталей C-Mn». Металл Матер Транс А. 46 (1): 123–133. Бибкод : 2015MMTA...46..123A . дои : 10.1007/s11661-014-2600-y . S2CID 136871961 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Хофф Х.А., Уэйтена Г.Л., Глезенер Дж.В., Харрис В.Г., Паппас Д.П. (март 1995 г.). «Критическая толщина монокристаллического ГЦК-железа на алмазе». Наука о серфинге . 326 (3): 252–66. Бибкод : 1995SurSc.326..252H . дои : 10.1016/0039-6028(94)00787-X . S2CID 93826286 .
^ 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 технологии обработки материалов . 203 (1–3): 349–354. дои : 10.1016/j.jmatprotec.2007.10.029 . Проверено 4 сентября 2019 г. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Маранян, Питер (2009), Снижение хрупкости и усталостных разрушений стальных конструкций , 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 .

[Reed-Hill-1] Рид-Хилл Р., Аббашян Р. (1991). Принципы физической металлургии (3-е изд.). Бостон: Издательство PWS-Kent. ISBN 978-0-534-92173-6 .

[Gove-2] Гоув ПБ, изд. (1963). Седьмой новый университетский словарь Вебстера . Спрингфилд, Массачусетс, США: Компания G&C Merriam. п. 58.

[3] Николс Р. (29 июля 2001 г.). «Закалка и отпуск сварных труб из углеродистой стали» . Фабрикатор .

[Lambers-4] Ламберс Х.Г., Чумак С., Майер Х.Дж., Канадинк Д. (апрель 2009 г.). «Роль аустенитизации и предварительной деформации в кинетике изотермического бейнитного превращения». Металл Матер Транс А. 40 (6): 1355–1366. Бибкод : 2009MMTA...40.1355L . дои : 10.1007/s11661-009-9827-z . S2CID 136882327 .

[smnm-5] «Аустенитизация» .

[Kilicli-6] Киличли В., Эрдоган М. (2008). «Деформационное упрочнение частично аустенизированного и аустенитизированного ковкого чугуна с двойной матричной структурой» . J Mater Eng Perf . 17 (2): 240–9. Бибкод : 2008JMEP...17..240K . дои : 10.1007/s11665-007-9143-y . S2CID 135484622 .

[Batra-7] Перейти обратно: ^а ^б Батра У, Рэй С., Прабхакар С.Р. (2003). «Влияние аустенитизации на аустенитизацию ковкого чугуна, легированного медью» . Журнал материаловедения и производительности . 12 (5): 597–601. дои : 10.1361/105994903100277120 . S2CID 135865284 .

[Chupatanakul-8] Чупатанакул С., Нэш П. (август 2006 г.). «Дилатометрическое измерение обогащения углеродом в аустените при бейнитном превращении». J Mater Sci . 41 (15): 4965–9. Бибкод : 2006JMatS..41.4965C . дои : 10.1007/s10853-006-0127-3 . S2CID 137527848 .

[Engineering_Materials_2,_Ashby_Jones-9] Эшби М.Ф., Ханкин-Джонс Д.Р. (1 января 1986 г.). Инженерные материалы 2: Введение в микроструктуры, обработку и дизайн . ISBN 978-0-080-32532-3 .

[Ershov-10] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Ершов В.М., Некрасова Л.С. (январь 1982 г.). «Превращение цементита в аустенит». Научная термообработка металла . 24 (1): 9–11. Бибкод : 1982MSHT...24....9E . дои : 10.1007/BF00699307 . S2CID 136543311 .

[Alvarenga-11] Альваренга Х.Д., Ван де Путте Т., Ван Стинберг Н., Ситсма Дж., Террин Х. (апрель 2009 г.). «Влияние морфологии и микроструктуры карбидов на кинетику поверхностного обезуглероживания сталей C-Mn». Металл Матер Транс А. 46 (1): 123–133. Бибкод : 2015MMTA...46..123A . дои : 10.1007/s11661-014-2600-y . S2CID 136871961 .

[Hoff-12] Перейти обратно: ^а ^б ^с Хофф Х.А., Уэйтена Г.Л., Глезенер Дж.В., Харрис В.Г., Паппас Д.П. (март 1995 г.). «Критическая толщина монокристаллического ГЦК-железа на алмазе». Наука о серфинге . 326 (3): 252–66. Бибкод : 1995SurSc.326..252H . дои : 10.1016/0039-6028(94)00787-X . S2CID 93826286 .

[Karimi-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 технологии обработки материалов . 203 (1–3): 349–354. дои : 10.1016/j.jmatprotec.2007.10.029 . Проверено 4 сентября 2019 г. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[14] Маранян, Питер (2009), Снижение хрупкости и усталостных разрушений 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 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]