Austenit

Obróbka cieplna stali często polega na podgrzaniu części składowej do obszaru austenitu (aka pole fazowe austenitu) w celu przeprowadzenia obróbki cieplnej, takiej jak normalizacja, hartowanie, utwardzanie powierzchniowe itp. Ale co to jest austenit, jak się tworzy i jaki zakres temperatur jest najbardziej korzystny dla prowadzonego przez nas procesu? Dowiedzmy się więcej.

Co to jest austenit?

W 1901 roku Floris Osmund, wczesny francuski pionier metalografii, zaproponował nazwanie wysokotemperaturowej struktury krystalicznej stali imieniem Sir Williama Chandlera Robertsa-Austena, metalurga znanego ze swoich badań nad fizycznymi właściwościami metali i ich stopów.

Austenit (alias żelazo gamma, g-Fe) jest metalicznym, niemagnetycznym alotropem (materiał, który może istnieć w więcej niż jednej formie krystalicznej w zależności od temperatury) żelaza. Austenit jest roztworem stałym często łączącym żelazo z różnymi pierwiastkami stopowymi (np. węglem). Można powiedzieć, że nauka o obróbce stali opiera się na zrozumieniu pola fazowego austenitu na diagramie fazowym żelazo-węglik żelaza (Rys. 1).

Jak zauważa Krause, „kontrolowana przemiana austenitu w inne fazy podczas chłodzenia jest odpowiedzialna za wielką różnorodność mikrostruktur i właściwości osiągalnych w wyniku obróbki cieplnej stali.”

Rozrost ziarna austenitu

Powstawanie austenitu w mikrostrukturach (Rys. 2) zostało szeroko zbadane. W przypadku stali gładkowęglowych, austenit może utworzyć się z perlitu lub nawet wysoce sferoidalnej struktury w bardzo krótkim czasie – w zakresie 4-25 sekund i być kompletny po 60 sekundach – ale w stalach stopowych czas ten może się zwiększyć stukrotnie lub więcej (Rys. 3), ponieważ pierwiastki stopowe i węgliki wymagają więcej czasu do wystąpienia dyfuzji.

Prior Austenitic Grain Size and Mechanical Properties

Wielkość ziarna austenitu jest ważna, ponieważ wpływa na produkty przemiany powstające podczas chłodzenia i jako takie, właściwości związane z hartownością i mikrostrukturą. Wielkość ziarna austenitu jest powszechnie określana jako wielkość ziarna austenitu wstępnego, ponieważ zachowany austenit obecny w temperaturze pokojowej nie ma wpływu na austenit macierzysty. Wcześniejsza wielkość ziarna austenitu może znacząco wpływać na właściwości takie jak ciągliwość, która jest obniżana wraz ze wzrostem wielkości ziarna. Należy tutaj zauważyć, że ujawnienie tej struktury wymaga raczej wyrafinowanych technik trawienia (c.f., „Grain Size and Its Influence on Material Properties”).

Niewielkie dodatki (rzędu 0,1%) niektórych pierwiastków stopowych (Nb, V, Ti) wytwarzają węgliki, węgloazotki lub azotki; wpływają na kontrolę wielkości ziarna i umocnienie; i stanowią podstawę dla stali mikrostopowych. Drobno rozproszone cząstki mikrostopów opóźniają rozrost ziaren austenitycznych, szczególnie w wyższych temperaturach (przez tzw. przypinanie granic ziaren).

Austenitizing Temperature – A Practical Approach

W kategoriach praktycznych, chce się pracować w najniższej temperaturze austenityzowania przez najkrótszy czas, aby ograniczyć rozrost ziaren, zminimalizować wpływ pełzania i niepożądanych efektów powierzchniowych (np, utlenianie, IGO/IGA), zmniejszyć koszty konserwacji, przedłużyć żywotność pieców do obróbki cieplnej, zmniejszyć koszty mocowania stopu i zminimalizować odkształcenia poprzez zmniejszenie różnicy temperatur pomiędzy temperaturą części a medium hartowniczym.

Wybór temperatury austenityzowania zależy zarówno od zawartości węgla, jak i stopu – stal o niższej zawartości węgla wymaga wyższej temperatury niż stal wysokowęglowa. Zawartość stopu również odgrywa rolę, wpływając na granice pola austenitu (por. „Influence of Alloying Elements on the Austenite Phase Field”).

Więcej, węgliki stopowe często wymagają wyższych temperatur do rozpuszczenia i dyspersji z powodu niższych szybkości dyfuzji niż węgiel. Ponadto, zmiana szybkości nagrzewania do temperatury austenityzowania wpływa na szybkość przemiany i rozpuszczania różnych obecnych składników stopowych (Rys. 4). Na rys. 4, na przykład, trzecia krzywa od prawej reprezentuje szybkość nagrzewania około 3˚C (5˚F) na minutę.

Diagram równowagi żelazo-węgiel nakreśla pole fazowe austenitu dla żelaza i stali. Wraz ze wzrostem zawartości węgla, temperatura A3 (dolna granica pola austenitu) obniża się aż do osiągnięcia składu eutektoidalnego – 725˚C (1340˚F) przy 0,80% C. Dla stali o zawartości węgla 0,40%, pole fazy austenitu zaczyna się przy 915˚C (1500˚F). Natomiast pole fazowe austenitu w czystym żelazie zaczyna się w temperaturze 912˚C (1674˚F), a kończy w temperaturze 1394˚C (2541˚F).

Obróbka cieplna

Na koniec należy zauważyć, że obrabialność stali (np, walcowanie, kucie) jest zwiększona w ich stanie austenitycznym, reagując na obróbkę gorącą poprzez deformację, odbudowę, rekrystalizację i wzrost ziarna. Wielkość ziarna austenitycznego zmniejsza się w miarę obniżania temperatury pracy na gorąco.

Wniosek

Austenit odgrywa wyjątkową rolę w obróbce cieplnej stali, a temat ten wymaga głębszego zrozumienia niż przedstawiono tutaj. Wymienione referencje zawierają wiele dobrych informacji na temat austenitu, a czytelnik jest zachęcany do głębszego przestudiowania tego tematu.

.