Аустенит

Структура аустенита

Аустенит имеет г.ц.к. структуру γ-Fe. Структуре аустенита характерно следующее:

Период решётки γ-Fe линейно возрастает от 0,3637 нм при 911°C до 0,368 нм при 1390°C.
Углерод растворяется в γ-Fe в виде C4+ и занимает октапоры, образуя твёрдые растворы внедрения.
С увеличением содержания углерода в аустените период решётки γ-фазы увеличивается.

Кристаллическую структуру аустенита можно представить себе как гранецентрированную решётку, состоящую из атомов железа, в которую
внедрены атомы углерода меньшего размера. Так как атом углерода больше размеров поры (свободного места в г.ц.к.-решётке), то при попадании
его в решётку железа последняя искажается и это делает остальные поры недоступными для других атомов углерода.
Структуру аустенита можно стабилизировать с помощью легирования, так как все элементы, которые растворяются в железе, влияют на
температурный интервал существования его аллотропических модификаций, в частности — аустенита.

Другими словами структура аустенита получается при высоком содержании в стали легирующего элемента (Ni, Mn и др.),
расширяющего область γ-фазы.

Дополнительно см. на странице Аустенитные стали.

Аустенит и охлаждение

При нагреве остаточный мартенсит разлагается по разным сценариям, в зависимости от исходного количества удерживаемого аустенита, а также концентрации углерода и степени удерживаемого аустенита деформация стали при отпуске.

Твердость аустенитной стали

На твердость аустенита влияют, прежде всего, различные факторы содержания растворенного углерода (и других легирующих элементов, образующих твердый замещающий раствор), поэтому нет четкого и однозначного значения аустенитной твердости(известен только порядок аустенитной твердости).

Поэтому значения аустенитной твердости обычно указываются в определенном диапазоне. Таким образом, в различных источниках можно найти несколько различные значения аустенитной твердости. Например, согласно, твердость Аустенита по Бринеллю составляет 160-200 НВ.

При металлографическом анализе каждого случая (сплав, литье) желательно экспериментально определить твердость аустенита и получить дополнительную статистику (твердость. См. микротвердость).

Формирование аустенитной

Образование аустенита при нагревании.Основным местом образования аустенита является граница раздела между ферритом и железом. cementite. In структура феррит-перлита, преобразование е-аустенита происходит сперва в е-перлите quantity. In грубый пластинчатый перлит, не только образование, но и рост аустенита может проходить через границу раздела между карбидом и ферритом.

На каждой стадии превращения фаза, которая не растворяется при повышении температуры, может оставаться в аустените до полного образования однородного аустенита.

Компоненты в системе “железо-углерод”

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит:

Железо

Железо – d-переходный металл серебристо-светлого цвета. Температура плавления – 1539° С. Удельный вес равен 7,86 г/см3. Наиболее существенной особенностью железа является его полиморфизм. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях – α и γ. Полиморфные превращения происходят при температурах 911° С и 1392° С. При температуре ниже 911° С и выше 1392° С существует Feα (или α-Fе) с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392° С устойчивым является Feγ (или γ-Fе) с гранецентрированной кубической решеткой. При превращении α→γ наблюдается уменьшение объема, так как решетка γ-Fе имеет более плотную упаковку атомов, чем решетка α-Fе. При охлаждении во время превращения γ→α наблюдается увеличение объема. В интервале температур 1392…1539° С высокотемпературное Feα называют Feδ. Высокотемпературная модификация Feα не представляет собой новой аллотропической формы.

При температуре ниже 768° С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точку 768° С, соответствующую магнитному превращению, т.е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри. Модификация Feγ парамагнитна.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (временное сопротивление – σв=250 МПа, предел текучести – σт=120 МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – δ=50 %, а относительное сужение – ψ=80 %). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна. Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

Углерод

Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500° С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000° С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

Цементит

Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода. Более точные исследования показали, что цементит может иметь переменную концентрацию углерода. Однако в дальнейшем, при разборе диаграммы состояния, сделаем допущение, что Fе3С имеет постоянный состав. Кристаллическая решетка цементита ромбическая, удельный вес 7,82 г/см3 (очень близок к удельному весу железа). При высоких температурах цементит диссоциирует, поэтому температура его плавления неясна и проставляется ориентировочно – 1260° С. Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу. При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 210° С. Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: например, азотом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Если графит является стабильной фазой, то цементит – это метастабильная фаза. Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита

Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов

Фазы в системе «железо-углерод»

В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.

Жидкая фаза

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит

Феррит (Ф, α)- твердый раствор внедрения углерода в α-железе (от латинского слова ferrum – железо). Различают низкотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода 0,02 % при температуре 727° С (точка P) и высокотемпературный δ-феррит (в интервале температур 1392…1539° С) с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499° С (точка J).

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 80 — 130 НВ, временное сопротивление – σв=300 МПа) и пластичен (относительное удлинение — δ=50 %), магнитен до 768° С.

Под микроскопом феррит выглядит как светлые полиэдрические зерна. В сталях может существовать в виде сетки (разной толщины, в зависимости от содержания углерода), зерен (малоуглеродистые стали), пластин или игл (видманштетт).

Аустенит в сталях

Аустенит (А, γ) – твердый раствор внедрения углерода в γ–железо (по имени английского ученого Р. Аустена). Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Предельная растворимость углерода в γ -железе 2,14 % при температуре 1147° С (точка Е). Аустенит имеет твердость 180 НВ, пластичен (относительное удлинение – δ=40…50 %), парамагнитен. При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования. Под микроскопом выглядит как светлые полиэдрические зерна с двойниками.

Цементит – формы существования

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный, цементит вторичный, цементит третичный. Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Поскольку углерод в сплавах с железом встречается в виде цементита и графита, существуют две диаграммы состояния, описывающие условия равновесия фаз в системах железо — цементит и железо — графит. Первая диаграмма (Fе — Fе3С) называется цементитной (метастабильная), вторая (Fе — С) — графитной (стабильная). Оба варианта диаграммы приводятся вместе в одной системе координат: температура — содержание углерода. Диаграмма состояния системы железо — углерод построена по результатам многочисленных исследований, проведенных учеными ряда стран. Особое место среди них занимают работы Д.К. Чернова

Он открыл существование критических точек в стали, определил их зависимость от содержания углерода, заложил основы для построения диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов в ее нижней, наиболее важной части

Буквенное обозначение узловых точек в диаграмме является общепринятым как в России, так и за рубежом.

Диаграмма состояния железо-углерод

Имеющиеся во всех областях диаграммы фазы видны на рисунке. Значение всех линий указано в таблице.

Ликвидус по всей диаграмме проходит по линиям АВ, ВС, СD; солидус — по линиям АН, НJ, JЕ, ЕСF. Сплавы железа с углеродом обычно делят на стали и чугуны. Условной границей для такого деления является 2,14 % С (точка E). Сплавы, содержащие углерода менее 2,14 %, относятся к сталям, более 2,14 % — к чугунам.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо – цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения. Обозначаются буквой А. В зависимости от того, при нагреве или при охлаждении определяется критическая точка, к букве А добавляется индекс с (от слова chauffage – нагрев) при нагреве и индекс r (от слова refroidissement – охлаждение) при охлаждении с оставлением цифры, характеризующей данное превращение.

Таким образом, например, нагрев доэвтектоидной стали выше соответствующей точки на линии GS обозначается как нагрев выше точки АС3. При охлаждении же этой стали первое превращение должно быть обозначено как Аr3, второе (на линии РSК) — как Аr1.

Химический состав в % стали 08Х18Н10Т

<0,08

<0,8

<2,0

<0,035

<0,02

17,0-19,0

<0,3

9,0-11,0

<0,2

<0,7

<0,4

<0,2

Остальное

Химический состав, это основное, от чего зависят характеристики стали 08Х18Н10Т.

Основной элемент в сплаве – углерод, его содержание в данной стали – 0,08 %. Чтобы повысить эксплуатационные свойства, в сплав вводят хром – от 17 до 19 %. Процентное содержание никеля – 9–11 %. В составе сплава данной стали есть кремний, марганец и молибден в небольшой концентрации – до 0,9%. Титан в количестве 0,7% значительно меняет свойства стали 08Х18Н10Т.

Влияние химсостава на свойства стали

Все свойства стали 08Х18Н10Т

, зависят от введения в сплав достаточно большого процента хрома и никеля. При этом необходимо учитывать, что большая концентрация хрома значительно повышает коррозионную стойкость. А большой процент никеля отражается негативно на эксплуатационных характеристиках. Углерод, являющийся основным элементом, при низком содержании может ухудшить показатели твердости и прочности, но повысить свариваемость.

Физические свойства

Высокая прочность. Материал при обычных условиях эксплуатации сохраняет свою прочность, упругость, устойчивость. Поэтому сталь сможет выдержать высокие нагрузки. Прочность также сохраняется в случае изменения температуры — резкое похолодание, сильные морозы, воздействие прямых солнечных лучей летом, локальный небольшой нагрев и другие ситуации.
Магнитная инертность. Кристаллическая структура практически полностью нейтрализует магнитный потенциал железа и легирующих элементов. Поэтому при контакте магнитного элемента с аустенитом образуется очень слабое магнитное поле, которое никак не влияет на свойства материала.
Коррозийная устойчивость. При нормальных температурных условиях сталь-аустенит не вступает в контакт с атмосферным кислородом, азотом, углекислым газом, а также с водой. Поэтому риск образования разрушительных коррозийных оксидов минимален. Из аустенитной стали можно делать детали, которые будут использоваться на морских объектах (корабли, мосты, турбины, приборы учета).
Химическая инертность. Сталь при нормальных температурных условиях также не вступает в реакцию с различными веществами, обладающими высокой химической активностью. Поэтому этот материал можно применять для хранения, работы с кислотами, щелочами, солями, радиоактивными веществами. Химического инертность сохраняется даже в случае длительного контакта. Поэтому аустенит при длительном контакте с реактивами не лопается, не ржавеет, сохраняет свои физические свойства.

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 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) 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.

Структура аустенита

Аустенит и охлаждение