Аустенит что это такое

Аустенит

Одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов, твёрдый раствор углерода (до 2%)и легирующих элементов в железе (см. Железо). А. получил название по имени английского учёного У. Робертса-Остена (W. Roberts-Austen, 1843—1902). Кристаллическая решётка — куб с центрированными гранями. А. немагнитен, плотность его больше, чем других структурных составляющих стали. В углеродистых сталях и чугунах А. устойчив выше 723°C. В процессе охлаждения стали А. превращается в другие структурные составляющие. В железоуглеродистых сплавах, содержащих никель, марганец, хром в значительных количествах, А. может полностью сохраниться после охлаждения до комнатной температуры (например, нержавеющие хромоникелевые стали). В зависимости от состава стали и условий охлаждения А. может сохраниться частично в углеродистых или легированных сталях (т. н. остаточный А.).

Учение о превращениях А. берёт начало с открытий Д. К. Чернова (1868), впервые указавшего на их связь с критическими точками стали. При охлаждении ниже этих точек образуются фазы с иным взаимным расположением атомов в кристаллической решётке и, в некоторых случаях, с измененным химическим составом. Различают три области превращений А. В верхнем районе температур (723—550°С) А. распадается с образованием Перлита — эвтектоидной смеси, состоящей из перемежающихся пластин Феррита (массовая концентрация углерода 0,02%) и Цементита (концентрация углерода 6,7%). Перлитное превращение начинается после некоторой выдержки и при достаточном времени завершается полным распадом А. Ниже определенной температуры (Мн), зависящей от содержания углерода (для стали с 0,8% углерода около 240°C), происходит мартенситное превращение А. (см. Мартенсит). Оно состоит в закономерной перестройке кристаллической решётки, при которой атомы не обмениваются местами. В интервале температур 550°С — М_н происходит промежуточное (бейнитное) превращение А. Это превращение, как и перлитное, начинается после инкубационного периода и может быть подавлено быстрым охлаждением; оно, как и мартенситное, прекращается при постоянной температуре (некоторая часть А. сохраняется непревращённой) и сопровождается образованием характерного рельефа на поверхности шлифа. При промежуточном превращении упорядоченные перемещения металлических атомов сочетаются с диффузионным перераспределением атомов углерода в А. В результате образуется феррито-цементитная смесь, а часто и остаточный А. с измененным по сравнению со средним содержанием углерода. Цементит при промежуточном превращении может выделяться как из А. непосредственно, так и из пересыщенного углеродом феррита (см. Бейнит).

Превращение А. в сплавах с содержанием углерода св. 2%, в связи с наличием первичных образований цементита или графита, вызывает своеобразие получающихся структур (см. Чугун). Представление о кинетике превращений А. дают диаграммы, указывающие долю превратившегося А. в координатах температура — время. На диаграмме превращений легиров. А. четко разделены области перлитного (640—520°C) и промежуточного (480—300°C) превращений и имеется температурная зона высокой устойчивости А. ( рис .). При перлитном превращении легированного А. во многих случаях образуется смесь феррита и специальных карбидов.

Легирующие элементы, за исключением кобальта, увеличивают продолжительность инкубационного периода перлитного превращения.

Закономерности превращений А. используют при разработке легированных сталей различного назначения процессов термической и термомехалической обработки. Диаграммы превращений А. позволяют устанавливать режимы отжига сталей, охлаждения изделий, изотермической закалки и т. д.

Лит.: Курдюмов Г. В., Явления закалки и отпуска стали, М., 1960; Энтин Р. И., Превращения аустенита в стали, М., 1960.

Диаграмма изотермического превращения аустенита стали, содержащей 0,4% углерода, 2% марганца и 0,1% ванадия.

Аустенитные стали

Аустенит — это твердый однофазный раствор углерода до 2 % в y-Fe. Главная его особенность заключается в последовательности, в которой располагаются атомы, т. е. в строении кристаллической решетки. Она бывает 2 типов:

1. ОЦК a-железо (объемно — центрированная – по одному атому располагается в 8-ми вершинах куба и 1 в центре).
2. ГЦК y-железо (гране-центрированная по одному атому находится в 8-ми вершинах куба и по одному находятся на каждой из 8-ми граней, всего 16 атомов).

Простыми словами: аустенит — это структура или состояние металла, определяющая его технические характеристики, которые получить в другом состоянии невозможно, т.к. меняя строение, металл изменяет и свойства. Без аустенита невозможна такая технология как закалка, которая является самой распространенной, дешевой, технически доступной, а в некоторых случаях и единственной технологией упрочнения металла.

Свойства аустенитных сталей и где их используют

Само состояние железа в Y-фазе (аустенит) уникально, благодаря ему металл является жаропрочным (+850 ºC), холодостойким (-100 ºC и ниже t), способен обеспечивать коррозионную и электрохимическая стойкость и другие важнейшие свойства, без которых были бы немыслимы многие технологические процессы в:

• нефтеперерабатывающей и химической отраслях;
• медицине;
• космическом и авиастроении;
• электротехнике.

Жаропрочность — свойство стали не менять своих технических свойств при критических температурах с течением времени. Разрушение происходит при неспособности металла противостоять дислокационной ползучести, т. е. смещению атомов на молекулярном уровне. Постепенно происходит разупрочнение, и процесс старения металла начинает происходить все быстрее. Это происходит с течением времени при низких или высоких температурах. Так вот, насколько этот процесс растянется во времени — это и есть способность металла к жаропрочности.

Коррозионная стойкость — способность металла противостоять разрушению (дислокационной ползучести) не только с течением времени и при криогенных и высоких температурах, но еще и в агрессивных средах, т. е. при взаимодействии с веществами активно вступающих в реакцию с одним или несколькими компонентных элементов. Разделяют 2 типа коррозии:

1. химическая — окисление металла в таких средах, как газовая, водная, воздушная;
2. электрохимическая — растворение металла в кислотных средах, имеющих положительно или отрицательно заряженные ионы. При разности потенциалов между металлом и электролитом, происходит неизбежная поляризация, приводящая к частичному взаимодействию двух веществ.

Холодостойкость — способность сохранять структуру при криогенных температурах с течением длительного времени. Из-за искажения кристаллической решетки структура стали холодостойкой способна принимать строение присущее обычным малолегированным сталям, но уже при очень низких температурах. Но этим сталям присущ один недостаток — иметь полноценные свойства они могут только при минусовых температурных значениях, t — ≥ 0 для них недопустимы.

Методы получения аустенита

Аустенит — это структура металла, которая в малолегированных марках возникает в диапазоне температур 550-743 ºC. Как можно сохранить эту структуру и, соответственно, свойства за границами этих t? — Ответ: методом легирования. При наполнении решетки аустенита атомами других элементов, образуются структурные искажения, а процесс восстановления ОЦК–решетки (естественное строение при нормальных температурах) сдвигается на сотни градусов.

Как эти свойства проявляются и в каком состоянии, зависит от добавочных т. е. легирующих элементов и термической обработки детали, которую она может дополнительно получать. Причем влияют не только элементы, но их соотношение, так аустенитная сталь подразделяется на:

• хромомарганцевую и хромникельмарганцевую (07Х21Г7AН5, 10X14AГ15, 10X14Г14H4T);
• хромоникелевую (08Х18Н12Б, 03Х18Н11, 08X18H10T, 06X18Н11, 12X18H10T, 08X18H10;
• высококремнистую (02Х8Н22С6, 15Х18Н12C4Т10);
• хромоникельмолибденовую (03Х21Н21М4ГБ, 08Х17Н15М3Т, 08X17Н13M2T, 03X16H15M3, 10Х17Н13М3Т).

Химические элементы и их влияние на аустенит

Пособников у аустенита немного, использоваться они могут как совместно, так и частично, в зависимости от того какие свойства нужно получить:

• Хром — при его содержании более 13 % на поверхности образует оксидную пленку, толщиной 2-3 атома, которая исключает коррозию. В аустените хром находится свободном состоянии, при условии минимального содержания углерода, так как тот сразу образует карбид Cr₂₃C₆, что приводит к сегрегации хрома и обедняет большие участки матрицы, делая ее доступной для окисления, сам карбид Cr₂₃C₆ способствует межкристаллитной коррозии аустенита.
• Углерод (максимальное его значение не более 10 %). Углерод в аустените находится в соединенном состоянии, основная его задача — образование карбидов, которые обладают предельной прочностью.
• Никель — основной элемент, который стабилизирует желаемую структуру. Достаточно содержание 9-12 %, чтобы перевести сталь в аустенитный класс. Измельчает и сдерживает рост зерна, что обеспечивает высокую пластичность;
• Азот заменяет атомы углерода, присутствие которых в сталях электрохимически стойких снижено до 0,02 %;
• Бор — уже в тысячных процентах увеличивает пластичность, в аустените, измельчая его зерно;
• Кремний и марганец не указываются как основные легирующие элементы в маркировке, но они являются основными или обязательными легирующими элементами аустенита, которые придают прочность и стабилизируют структуру.
• Титан и ниобий — при температуре выше 700 °С карбид хрома распадается и образуется стойкий TiC и NiC, который не вызывает межкристаллитную коррозию, но их использование не всегда оправданно холодостойких сталях, т.к. оно повышает границу распада аустенита.

Термическая обработка

Аустенит подвергают обработке только по необходимости. Основные операции это высокотемпературный отжиг (1100-1200 °С в течение 0,5-2,5 часа) при котором устраняется хрупкость. Далее закалка с охлаждением в масле или на воздухе.

Аустенитную сталь, легированную алюминием, подвергают двойной закалке и двойной нормализации:

Механическая окончательная обработка проводится до закалки, но после отжига.

Изделия из аустнитных сталей

Полуфабрикаты, в которых поставляется сталь, представляет собой:

• Листы, толщиной 4-50 мм с гарантированным химическим составом и механическими свойствами.
• Поковки. Ввиду сложной обработки этих сталей методом сварки, изготовление некоторых деталей представляет собой получение практически готовых изделий уже на этапе литья. Это роторы, диски, турбины, трубы двигателей.

Методы соединения аустенита:

• Припой – очень сильно ограничивает использование металла при t более 250 °С;
• Сваривание – возможно в защитной атмосфере (газовой, флюсовой), при последующей термической обработке.
• Механическое соединение – болты и другие крепежные элементы, изготовленные из аналогичного материала.

Аустенитные стали одни из самых дорогих технических сталей, использование которых ограничивается узкой специализацией оборудования.

Аустенит

Интересно то, что перекристаллизация происходит в твердом состоянии: кусок стали не расплавляется, лежит в печи неподвижно, а в это время в нем энергично идет растворение углерода железом. В результате получается однородный, «усредненный» раствор — твердый раствор,— называемый аустенитом. Свое название он получил в честь английского металлурга В. Робертса-Аустена.

Полное насыщение аустенита углеродом происходит лишь при введении в сталь 2% углерода. Но при температуре 723°С аустенит «имеет право» содержать в себе лишь 0,83% углерода. Следовательно, полученный в результате термообработки стали «хороший» однородный раствор при охлаждении начнет неизбежно «портиться», перестраиваться. Перекристаллизация— обратимый процесс: если температуру стали медленно понижать, из твердых кристаллов аустенита будет выбрасываться чистое железо и углерод в виде карбида железа. В результате перекристаллизации произойдет распад аустенита, и в структуре стали мы найдем несколько видов кристаллов.

Спрашивается, стоит ли из-за этого волноваться? Какая нам разница, из чего состоит наша стальная деталь — из карбида железа или кристаллов аустенита, ведь все равно деталь до нагрева и после него твердая, прочная, стальная? Оказывается, причина для волнений имеется, и немалая. Сталь при обычной температуре, не прошедшая термообработку, состоит из смеси кристаллов железа и карбида железа. У карбида железа твердость в десять раз выше, чем у кристаллов чистого железа, да и вообще обе эти составные части стали имеют совершенно противоположные свойства. Такое механическое сочетание разнородных составляющих ничего хорошего не сулит. Представьте себе крепость, сложенную из чередующихся кирпичей: одни кирпичи — глиняные, необожженные, другие — из камня. Первый же выстрел неприятельской пушки вдребезги разнесет такую стенку. Да она и сама может развалиться под собственной тяжестью.

Аустенит сочетает в себе все лучшее, что есть у железа и карбида железа: он пластичен и прочен, а твердость у него лишь вдвое-втрое ниже твердости карбида. Все «кирпичи» в нем одинакового размера, уложены «по стенке» аккуратно и сцеплены друг с другом тоненькой «глиняной» обмазкой. Значит, есть прямой смысл добиваться такой структурной перестройки стали, чтобы она состояла целиком из аустени-тных кристаллов.

Аустенит возникает при нагреве выше 723°С в каждой стали независимо от нашего желания. Точно так же при охлаждении стали он распадается.

Неужели здесь заколдованный круг и его никак не разорвать? Оказывается, не все так безнадежно. Да, при медленном, спокойном охлаждении аустенит распадается. Но почему бы нам от волнения не поторопиться и не сунуть кусок разогретой стали в какую-нибудь холодную жидкость? Ведь при этом одного преимущества мы добьемся наверняка: охладим сталь быстрее, чем на воздухе, в спокойной атмосфере.

При быстром охлаждении (внимание, вот и второе огромное преимущество!), пока температура металла падает с 820 до 723°С, перекристаллизация стали произойти не успевает. Аустенитная структура попадает в область низких температур (600, 500, 400°С и ниже), хотя в этой температурной зоне она существовать не «имеет права». Но ведь распад аустенитных зерен возможен лишь при температуре выше 723°С. Аустениту ничего не остается, как «существовать» при нормальной температуре. Но именно этого мы и добивались!

Процесс нагрева стали с целью перекристаллизации ее структуры на аустенит с последующим быстрым охлаждением называется в технике закалкой.

Температура нагрева при закалке стали (температура закалки) зависит от марки стали, то есть от содержания углерода, и различна для разных сталей. Чтобы добиться большей однородности зерен аустенита, сталь при закалке либо нагревают еще на 30—50°С выше, либо выдерживают при температуре закалки более длительное время. Зерна аустенита при этом растут и становятся однородными. Но сталь с крупным зерном кристаллов хуже, чем с мелким. Поэтому при термической обработке всегда стремятся к тому, чтобы получить мелкое зерно стали.

Рост зерна в углеродистых сталях зависит не только от температуры и времени нагрева, но и от содержания углерода и примесей. Введение в сталь легирующих элементов — титана, ванадия, вольфрама, молибдена и хрома (но не марганца) — тормозит рост зерна аустенита при нагреве. Легирующие элементы расширяют интервал закалочных температур и облегчают получение качественной структуры; в этом и состоит преимущество легированных сталей перед углеродистыми: они лучше поддаются закалке. Большинство сталей, имеющих при комнатной температуре аустенитную структуру,— легированные стали.

Аустенитная сталь: особенности и характеристики

Аустенитные стали имеют ряд особых преимуществ и могут применяться в рабочих средах, отличающихся значительной агрессивностью. Без таких сплавов не обойтись в энергетическом машиностроении, на предприятиях нефтяной и химической промышленности.

Аустенитные стали — это стали с высоким уровнем легирования, при кристаллизации образуется однофазная система, характеризуемая кристаллической гранецентрированной решеткой. Такой тип решеток не меняется даже под воздействием очень низких температур (около 200 градусов Цельсия). В отдельных случаях имеется еще одна фаза (объем в сплаве не превышает 10 процентов). Тогда решетка получится объемноцентрированной.

Описание и характеристики

Стали разделяют на две группы относительно состава их основы и содержания легирующих элементов, таких как никель и хром:

• Композиции, в основе которых содержится железо: никель 7%, хром 15%; общее количество добавок — до 55%;
• Никелевые и железоникелевые композиции. В первой группе содержание никеля начинается от 55% и больше, а во второй — от 65 и больше процентов железа и никеля в соотношении 1:5.

Благодаря никелю можно добиться повышенной пластичности, жаропрочности и технологичности стали, а с помощью хрома — придать требуемую коррозийность и жаростойкость. А добавление других легирующих компонентов позволит получать сплавы с уникальными свойствами. Компоненты подбирают в соответствии со служебным предназначением сплавов.

Для легирования преимущественно используют:

• Ферритизаторы, стабилизирующие структуру аустенитов: ванадий, вольфрам, титан, кремний, ниобий, молибден.
• Аустенизаторы, представленные азотом, углеродом и марганцем.

Все перечисленные компоненты расположены не только в избыточных фазах, но и в твердом растворе из стали.

Сплавы, устойчивые к коррозии и перепадам температур

Широкий спектр добавок позволяет создать особые стали, которые будут применены для изготовления компонентов конструкций и будут работать в криогенных, высокотемпературных и коррозионных условиях. Поэтому составы разделяют на три типа:

• Жаропрочные и жаростойкие.
• Стойкие к коррозии.
• Устойчивы к воздействию низких температур.

Жаростойкие сплавы не разрушаются под влиянием химикатов в агрессивных средах, могут использоваться при температуре до +1150 градусов. Из них изготавливают:

• Элементы газопроводов;
• Арматуру для печей;
• Нагревательные компоненты.

Жаропрочные марки на протяжении длительного времени могут оказывать сопротивление нагрузкам в условиях повышенных температур, не теряя высоких механических характеристик. При легировании используются молибден и вольфрам (на каждое дополнение может отводиться до 7%). Для измельчения зерен в небольших количествах применяется бор.

Аустенитные нержавеющие стали (стойкие к коррозии) характеризуются незначительным содержанием углерода (не более 0,12%), никеля (8−30%), хрома (до 18%). Проводится термическая обработка (отпуск, закалка, отжиг). Она важна для изделий из нержавейки, ведь дает возможность хорошо держаться в самых разных агрессивных средах — кислотных, газовых, щелочных, жидкометаллических при температуре 20 градусов и выше.

У хладостойких аустенитных композициях содержится 8−25% никеля и 17−25% хрома. Применяют в криогенных агрегатах, но стоимость производства существенно возрастает, потому используются очень ограниченно.

Свойства термической обработки

Жаростойкие и жаропрочные марки могут подвергаться разным типам тепловой обработки, чтобы нарастить полезные свойства и модифицировать уже имеющуюся структуру зерен. Речь идет о числе и принципе распределения дисперсных фаз, величине блоков и собственно зерен и тому подобное.

Отжиг такой стали помогает уменьшить твердость сплава (иногда это важно при эксплуатации), а также устранить излишнюю хрупкость. В процессе обработки металл нагревается до 1200 градусов на протяжении 30−150 минут, потом его необходимо как можно быстрее охладить. Сплавы со значительным количеством легирующих элементов, как правило, охлаждаются в маслах или на открытом воздухе, а более простые — в обычной воде.

Нередко проводится двойная закалка. Сначала выполняют первую нормализацию составов при температуре 1200 градусов, затем следует вторая нормализация при 1100 градусах, что позволяет значительно увеличить пластические и жаропрочные показатели.

Добиться повышения жаропрочности и механической прочности можно в процессе двойной термической обработки (закалка и старение). До эксплуатации проводится искусственное старение всех жаропрочных сплавов (то есть выполняется их дисперсионное твердение).