Austenit

Tepelné zpracování oceli často zahrnuje zahřátí součásti do oblasti austenitu (tzv. austenitové fázové pole) za účelem provedení tepelného zpracování, jako je normalizace, kalení, kalení atd. Co je to však austenit, jak vzniká a jaký teplotní rozsah je pro námi prováděný proces nejvhodnější? Pojďme se dozvědět více.

Co je austenit?

V roce 1901 navrhl Floris Osmund, první francouzský průkopník metalografie, pojmenovat vysokoteplotní krystalovou strukturu oceli podle sira Williama Chandlera Robertse-Austena, metalurga známého svým výzkumem fyzikálních vlastností kovů a jejich slitin.

Austenit (také známý jako gama železo, g-Fe) je kovový nemagnetický alotrop (materiál, který může existovat ve více než jedné krystalové formě v závislosti na teplotě) železa. Austenit je pevný roztok často kombinující železo s různými legujícími prvky (např. uhlíkem). Lze říci, že věda o zpracování oceli je založena na pochopení fázového pole austenitu ve fázovém diagramu železa a karbidu železa (obr. 1).

Jak poznamenává Krause, „řízená přeměna austenitu na jiné fáze při ochlazování je zodpovědná za velkou rozmanitost mikrostruktur a vlastností dosažitelných tepelným zpracováním ocelí.“

Růst austenitických zrn

Tvorba austenitu v mikrostrukturách (obr. 2) byla rozsáhle studována. U prostých uhlíkových ocelí může austenit vzniknout z perlitu nebo dokonce vysoce sféroidizované struktury za velmi krátkou dobu – v rozmezí 4-25 sekund a být dokončen po 60 sekundách – u legovaných ocelí se však tato doba může prodloužit stonásobně i více (obr. 3), protože legující prvky a karbidy potřebují k difúzi více času.

Předchozí velikost austenitických zrn a mechanické vlastnosti

Velikost zrn austenitu je důležitá, protože ovlivňuje produkty přeměny vznikající při ochlazování a tím i vlastnosti související s kalitelností a mikrostrukturou. Velikost austenitových zrn se běžně označuje jako velikost zrn předchozího austenitu, protože zadržený austenit přítomný při pokojové teplotě nemá vliv na mateřský austenit. Předchozí velikost austenitických zrn může významně ovlivnit vlastnosti, jako je houževnatost, která se s rostoucí velikostí zrn snižuje. Zde je třeba poznamenat, že odhalení této struktury vyžaduje poměrně sofistikované techniky leptání (viz „Velikost zrn a její vliv na vlastnosti materiálu“).

Malé přídavky (v řádu 0,1 %) některých legujících prvků (Nb, V, Ti) vytvářejí karbidy, karbonitridy nebo nitridy; ovlivňují kontrolu velikosti zrn a zpevnění; a tvoří základ pro mikrolegované oceli. Jemně rozptýlené částice mikrolegování zpomalují růst austenitických zrn, zejména při vyšších teplotách (tzv. pinningem hranic zrn).

Austenitizační teplota – praktický přístup

Prakticky se chce pracovat při co nejnižší austenitizační teplotě po co nejkratší dobu, aby se omezil růst zrn, minimalizoval vliv creepu a nežádoucích povrchových efektů (např, oxidace, IGO/IGA), omezit údržbu, prodloužit životnost pecí pro tepelné zpracování, snížit náklady na upevnění slitiny a minimalizovat deformace snížením teplotního rozdílu mezi teplotou součásti a kalicího média.

Volba austenitizační teploty závisí na obsahu uhlíku i slitiny – ocel s nižším obsahem uhlíku vyžaduje vyšší teplotu než ocel s vysokým obsahem uhlíku. Obsah slitiny hraje roli i tím, že ovlivňuje hranice austenitového pole (viz „Vliv legujících prvků na austenitové fázové pole“).

Karbidy slitin navíc často vyžadují vyšší teploty k rozpuštění a rozptýlení kvůli nižší rychlosti difuze než uhlík. Kromě toho změna rychlosti ohřevu na austenitizační teplotu ovlivňuje rychlost přeměny a rozpouštění různých přítomných legujících složek (obr. 4). Na obr. 4 například třetí křivka zprava představuje rychlost ohřevu přibližně 3˚C (5˚F) za minutu.

Diagram rovnováhy železa a uhlíku načrtává fázové pole austenitu pro železa a oceli. S rostoucím obsahem uhlíku klesá teplota A3 (spodní hranice austenitového pole), dokud není dosaženo eutektoidního složení – 725˚C (1340˚F) při 0,80 % C. Pro ocel s 0,40 % uhlíku začíná austenitové fázové pole při 915˚C (1500˚F). Naproti tomu austenitové fázové pole u čistého železa začíná při 912˚C (1674˚F) a končí při 1394˚C (2541˚F).

Pracování za tepla

Nakonec je třeba poznamenat, že zpracovatelnost ocelí (např, válcování, kování) se zvyšuje v jejich austenitickém stavu, kdy reagují na zpracování za tepla deformací, regenerací, rekrystalizací a růstem zrn. Velikost austenitických zrn se snižuje se snižováním teploty zpracování za tepla.

Závěr

Austenit hraje při tepelném zpracování oceli jedinečnou roli a toto téma vyžaduje hlubší pochopení, než je zde prezentováno. Uvedené odkazy obsahují množství kvalitních informací o austenitu a čtenáři se doporučuje studovat toto téma hlouběji.