Аустеніт — що це? Відповідаємо на питання.

Навчання 02 липня 2022 Перегляди: 79

Термічна обробка сталі — це найпотужніший механізм впливу на її структуру і властивості. Він ґрунтується на видозмінах кристалічних решіток залежно від гри температур. У різних умовах у залізовуглецевому сплаві можуть бути присутні феррит, перліт, цементит і аустеніт. Останній відіграє основну роль у всіх термічних перетвореннях в сталі.

Визначення

Сталь — це сплав заліза і вуглецю, в якому вміст карбону становить до 2,14% теоретично, проте технологічно застосовна містить його в кількості не більше 1,3%. Відповідно, всі структури, які утворюються в ній під впливом зовнішніх впливів, також є різновидами сплавів.

Теорія представляє їх існування в 4 варіаціях: твердий розчин проникнення, твердий розчин виключення, механічна суміш зерен або хімічна сполука.

Аустеніт — це твердий розчин проникнення атома вуглецю в гранецентричну кубічну кристалічну решітку заліза, іменовану як лід. Атом карбону впроваджується в порожнину лід-решітки заліза. Його розміри перевершують відповідні пори між атомами Fe, що пояснює обмеженість проходження їх крізь «стінки» основної структури. Утворюється в процесах температурних перетворень ферриту і перліту при підвищенні тепла вище 727 ^ С.

Діаграма залізовуглецевих сплавів

Графік, іменований діаграмою стану залізо-цементит, побудований експериментальним шляхом, являє собою наочну демонстрацію всіх можливих варіантів перетворень в сталях і чавунах. Конкретні температурні значення для певної кількості вуглецю в сплаві утворюють критичні точки, в яких відбуваються важливі структурні зміни в процесах нагрівання або охолодження, вони ж формують критичні лінії.

Лінія GSE, яка містить точки Ac₃ і Ac_m, відображає рівень розчинності карбону при підвищенні рівня тепла.

Таблиця залежності розчинності вуглецю в аустеніті від температури
Температура,   С	900	850	727	900	1147
Приблизна розчинність C в аустеніті,%	0,2	0,5	0,8	1,3	2,14

Особливості освіти

Аустеніт — це структура, яка формується в процесі нагрівання сталі. При досягненні критичної температури перліт і феррит утворюють цілісну речовину.

Варіанти нагрівання:

1. Рівномірне, до досягнення необхідного значення, нетривала витримка, охолодження. Залежно від характеристик сплаву, аустеніт може бути як повністю сформований, так і частково.
2. Повільне підвищення температури, тривалий період підтримки досягнутого рівня теплоти з метою отримання чистого аустеніту.

Властивості отриманого розігрітого матеріалу, а також того, який буде мати місце в результаті охолодження. Дуже багато залежить від рівня досягнутого тепла. Важливо не допустити перегрів або перепал.

Мікроструктура та властивості

Кожній з фаз, характерних для залізовуглецевих сплавів, властива власна будова решіток і зерен. Структура аустеніту — пластинчаста, що має форми, близькі і до голчастого вигляду, і до бавовняного. При повному розчиненні вуглецю в лід-залізі, зерна мають світлу форму без наявності темних цементитних включень.

Твердість становить 170-220 НВ. Теплопровідність і електропровідність на порядок нижчі, ніж у ферриту. Магнітні властивості відсутні.

Варіанти охолодження і його швидкості призводять до утворення різних модифікацій «холодного» стану: мартенситу, бейніту, трооститу, сорбіту, перліту. Вони мають схожу голкову структуру, проте відрізняються дисперсністю частинок, розміром зерен і цементитних частинок.

Вплив охолодження на аустеніт

Розпад аустеніту відбувається в тих же критичних точках. Результативність його залежить від таких факторів:

1. Швидкість охолодження. Впливає на характер вуглецевих включень, формування зерен, утворення підсумкової мікроструктури та її властивостей. Залежить від середовища, яке використовується в якості охолоджувача.
2. Наявність ізотермічної складової на одному з етапів розпаду — при зниженні до певного температурного рівня, підтримується стабільне тепло деякий період часу, після чого триває швидке охолодження, або ж воно відбувається разом з нагрівальним пристроєм (піччю).

Таким чином, виділяють безперервне та ізотермічне перетворення аустеніту.

Особливості характеру перетворень. Діаграма

З-подібний графік, який відображає характер змін мікроструктури металу в часовому інтервалі, залежно від ступеня зміни температур — це діаграма перетворення аустеніту. Реальне охолодження безперервне. Можливі лише деякі фази примусового утримання тепла. Графік описує ізотермічні умови.

Характер може бути дифузійний і бездифузійний.

При стандартних швидкостях зниження тепла зміна аустенитного зерна відбувається дифузійно. У зоні термодинамічної нестійкості атоми починають переміщатися між собою. Ті, які не встигають впровадитися в грати заліза, формують цементитні включення. До них приєднуються сусідні частинки карбону, що вивільнилися зі своїх кристалів. Цементит формується на межах зерен, що розпадаються. Очищені кристали ферриту утворюють відповідні пластини. Формується дисперсна структура — суміш зерен, розмір і концентрація яких залежать від стрімкості охолодження і вмісту карбону в сплаві. Утворюється також перліт і його проміжні фази: сорбіт, троостит, бейніт.

При значних швидкостях зниження температур розпад аустеніту не має дифузійного характеру. Відбуваються комплексні спотворення кристалів, всередині яких всі атоми одночасно зміщуються в площині, не змінюючи розташування. Відсутність дифузійності сприяє зародженню мартенситу.

Вплив гарту на особливості розпаду аустеніту. Мартенсит

Загартування — це вид термічної обробки, суть якого полягає в швидкому нагріванні до високих температур вище критичних точок Ac₃ і Ac_m, після чого слідує швидке охолодження. Якщо зниження температури відбувається за допомогою води зі швидкістю більше 200 ºС за секунду, то утворюється тверда голчаста фаза, що має назву мартенсит.

Він являє собою пересичений твердий розчин проникнення карбону в залізо з кристалічною решіткою на кшталт. Внаслідок потужних переміщень атомів вона спотворюється і формує тетрагональну решітку, що і виступає причиною зміцнення. Сформована структура має більший обсяг. Внаслідок цього кристали, обмежені площиною, стискаються, зароджуються голчасті пластини.

Мартенсит — міцний і дуже твердий (700-750 НВ). Утворюється виключно в результаті високошвидкісного гарту.

Гарту. Діффузійні структури

Аустеніт — це формування, з якого можуть бути штучно вироблені бейніт, троостит, сорбіт і перліт. Якщо охолодження гарту відбувається на менших швидкостях, здійснюються дифузійні перетворення, їх механізм описаний вище.

Троостит — це перліт, для якого характерна висока ступінь дисперсності. Формується при зменшенні тепла 100 ºС за секунду. Велика кількість дрібних зерен ферриту і цементиту розподіляється по всій площині. «Загартованому» властивий цементит пластинчастої форми, а троостит, отриманий в результаті подальшої відпустки, має зернисту візуалізацію. Твердість — 600-650 НВ.

Бейніт — це проміжна фаза, яка являє собою ще більш дисперсну суміш кристалів високовуглецевого ферриту і цементиту. За механічними і технологічними властивостями поступається мартенситу, але перевищує троостит. Утворюється в температурних інтервалах, коли дифузія неможлива, а сили стиснення і переміщення кристалічної структури для перетворення в мартенситну — недостатньо.

Сорбіт — великодисперсний голкоподібний різновид перлітних фаз при охолодженні зі швидкістю 10 ºС за секунду. Механічні властивості займають проміжне положення між перлітом і трооститом.

Перліт — це сукупність зерен ферриту і цементиту, які можуть бути зернистої або пластинчастої форми. Формується в результаті плавного розпаду аустеніту зі швидкістю охолодження 1 ºС за секунду.

Бейтит і троостит — більш відносяться до загартовувальних структур, тоді як сорбіт і перліт можуть формуватися і при відпустці, випалі і нормалізації, особливості яких визначають форму зерен і їх розмір.

Вплив розпалу на особливості розпаду аустеніту

Практично всі види відпалу і нормалізації засновані на взаємообратному перетворенні аустеніту. Повний і неповний віджиг застосовують до доевтектоїдних сталей. Деталі нагрівають в печі вище критичних точок Ac₃ і Ас₁ відповідно. Для першого типу характерна наявність тривалого періоду витримки, який забезпечує повне перетворення: феррит-аустенить і перліт-аустенить. Після чого слідує повільне охолодження заготовок у печі. На виході отримують дрібнодисперсну суміш ферриту і перліту, без внутрішніх напружень, пластичну і міцну. Неповний віджиг менш енергоємний, змінює тільки будову перлиту, залишаючи феррит практично без змін. Нормалізація передбачає більш високу швидкість зниження температур, однак і більш крупнозернисту і менш пластичну структуру на виході. Для сталевих сплавів з вмістом вуглецю від 0,8 до 1,3% при охолодженні в рамках нормалізації відбувається розпад за напрямом: аустеніт-перліт і аустеніт-цементит.

Ще одним видом термічної обробки, який заснований на структурних перетвореннях, є гомогенізація. Він застосовний для великих деталей. Передбачає абсолютне досягнення аустенітного крупнозернистого стану при температурах 1000-1200 ­ С і витримку в печі в період до 15 годин. Ізотермічні процеси тривають повільним охолодженням, яке сприяє вирівнюванню структур металу.

Ізотермічний випалювання

Кожен з перерахованих способів впливу на метал для спрощення розуміння розглядається як ізотермічне перетворення аустеніту. Однак кожен з них лише на певному етапі має характерні особливості. В реальності ж зміни відбуваються при стабільному зниженні тепла, швидкість якого визначає результат.

Один із способів, найбільш близький до ідеальних умов, — ізотермічний віджиг. Його суть також полягає в нагріванні і витримці до повного розпаду всіх структур в аустеніт. Охолодження реалізовується в кілька етапів, що сприяє більш повільному, більш тривалому і більш термічно стабільному його розпаду.

1. Стрімке зниження температури до значення на 100 ºС нижче точки Ас₁.
2. Примусове утримання досягнутого значення (поміщенням у піч) тривалий час до повного завершення процесів утворення ферритно-перлітних фаз.
3. Охолодження на спокійному повітрі.

Метод застосовний і для легованих сталей, для яких характерна наявність залишкового аустеніту в охолодженому стані.

Залишковий аустеніт і аустенітні сталі

Іноді можливий неповний розпад, коли має місце залишковий аустеніт. Це може статися в наступних ситуаціях:

1. Занадто швидке охолодження, коли повний розпад не відбувається. Є структурною складовою бейніту або мартенситу.
2. Сталь високовуглецева або низьколегована, для якої ускладнені процеси аустенітних дисперсних перетворень. Потребує застосування особливих способів термообробки, як, наприклад, гомогенізація або ізотермічний випалювання.

Для високолегованих відсутні процеси описаних перетворень. Легування стали нікелем, марганцем, хромом сприяє формуванню аустеніту як основної міцної структури, яка не потребує додаткових впливів. Аустенітні стали відрізняються високою міцністю, корозійною стійкістю і жаростійкістю, жаропрочністю і стійкістю до складних агресивних умов роботи.

Аустеніт — це структура, без освіти якої неможливе жодне високотемпáне нагрівання сталі і яка бере участь практично у всіх способах її термічної обробки з метою поліпшення механічних і технологічних властивостей.