Введение

Металлический, немагнитный аллотроп железа или твердый раствор железа с легирующим элементом – сплав и аллотроп железа.

Аустенит, также известный как гамма-железо (γ Fe), является металлическим, немагнитным аллотропом железа или твердым раствором железа с легирующим элементом. В обычной углеродистой стали аустенит существует при температурах выше критической эутектоидной температуры 1000 К (727 °C); другие стали имеют различные эутектоидные температуры. Аллотроп аустенита назван в честь сэра Уильяма Чендлера Робертса Остина (1843–1902). Благодаря присутствию никеля, стабилизирующего аустенит при более низких температурах, он сохраняется при комнатной температуре в некоторых нержавеющих сталях.

Аллотроп железа

От альфа-железа происходит фазовый переход от объемноцентрированной кубической (ОЦК) решетки к гранецентрированной кубической (ГЦК) решетке гамма-железа, также называемого аустенитом. Оно также мягкое и пластичное, но способно растворять значительно больше углерода (до 2,03% по массе). Эта гамма-форма железа содержится в наиболее распространенном типе нержавеющей стали, используемой для изготовления оборудования для больниц и предприятий общественного питания.

Материал

Остенитизация означает нагрев железа, металла на основе железа или стали до температуры, при которой происходит изменение кристаллической структуры от феррита к аустениту. Более открытая структура аустенита способна поглощать углерод из карбидов железа в углеродистой стали. Неполная начальная остенитизация может привести к наличию нерастворенных карбидов в матрице. У некоторых железных металлов, металлов на основе железа и сталей образование карбидов может происходить непосредственно в процессе остенизации. Обычно это называют двухфазной остенизацией.

Остэмпирирование

Ост-темперирование – это процесс упрочнения, применяемый к металлам на основе железа для улучшения механических свойств. Металл нагревают в аустенитную область фазовой диаграммы железо-цементита, а затем быстро охлаждают в соляной ванне или другой среде для отвода тепла, поддерживаемой в определенном температурном диапазоне. В этом диапазоне металл выдерживают до тех пор, пока аустенит не превратится в бейнит или аусферрит (бейнитный феррит + высокоуглеродистый аустенит). Изменяя температуру аустенизации, можно получать различные желаемые микроструктуры. Более высокая температура аустенизации приводит к большему содержанию углерода в аустените, а более низкая – к более равномерному распределению аустемперированной структуры.

Поведение в простой углеродистой стали

Когда аустенит остывает, углерод диффундирует из аустенита и образует обогащенный углеродом карбид железа (цементит), оставляя после себя обедненный углеродом феррит. В зависимости от состава сплава может формироваться слоистая структура из феррита и цементита, называемая перлитом. Если скорость охлаждения очень высока, углерод не успевает диффундировать, и сплав испытывает значительные искажения кристаллической решетки, известные как мартенситное превращение, в результате которого он трансформируется в мартенсит – тетрагональную структуру с центрированной решеткой (BCT). Скорость охлаждения определяет относительное содержание мартенсита, феррита и цементита, а следовательно, и механические свойства стали, такие как твердость и предел прочности при растяжении. Высокая скорость охлаждения массивных деталей создает крутой температурный градиент в материале. Внешние слои детали, подвергнутой термообработке, остывают быстрее и больше сжимаются, что приводит к возникновению растягивающих напряжений и тепловых деформаций. При высоких скоростях охлаждения материал превращается из аустенита в мартенсит, который значительно тверже и образует трещины при гораздо меньших деформациях. Изменение объема (мартенсит менее плотный, чем аустенит) также может вызывать напряжения. Разница в скоростях деформации внутренних и внешних слоев детали может привести к образованию трещин во внешних слоях, что требует использования более медленных скоростей закалки для предотвращения этого. Легирование стали вольфрамом замедляет диффузию углерода и способствует превращению в аллотроп BCT при более низких температурах, тем самым предотвращая образование трещин. Такой материал характеризуется повышенной закаливаемостью. Отпуск после закалки преобразует часть хрупкого мартенсита в отпущенный мартенсит. Если закаливается сталь с низкой закаливаемостью, в микроструктуре остается значительное количество аустенита, что создает внутренние напряжения и делает изделие склонным к хрупкому разрушению.

Поведение в чугуне

Нагрев белого чугуна (содержащего карбид железа, то есть цементит, но не содержащего свободного углерода) выше определенной температуры приводит к образованию аустенита в кристаллах первичного цементита. Эта аустенизация белого чугуна происходит в первичном цементите на границе раздела с ферритом.

Стабилизация при более низких температурах

Добавление определенных легирующих элементов, таких как марганец и никель, может стабилизировать аустенитную структуру, облегчая термообработку низколегированных сталей. В случае аустенитной нержавеющей стали, значительно более высокое содержание легирующих элементов обеспечивает стабильность этой структуры даже при комнатной температуре. С другой стороны, такие элементы, как кремний, молибден и хром, склонны дестабилизировать аустенит, повышая температуру эвтектоидной реакции.

Тонкие пленки

Остенит стабилен только при высоких температурах в массивной металлической форме. Однако, металлы с объемноцентрированной кубической (fcc) структурой могут быть выращены на подложках с объемноцентрированной кубической (fcc) или алмазной кубической структурой. Эпитаксиальный рост аустенита на плоскости алмаза (100) возможен благодаря близкому параметру решетки и тому, что симметрия плоскости алмаза (100) соответствует fcc. Возможно вырастить более одного монослоя γ-железа, поскольку критическая толщина для напряженного многослойного слоя превышает толщину одного монослоя. Аустенит и ферриты обладают сильными ферромагнитными свойствами.

Термооптическое излучение, цвет указывает температуру

Во время термической обработки кузнец вызывает фазовые изменения в системе железо-углерод для контроля механических свойств материала, часто используя процессы отжига, закалки и отпуска. В этом контексте цвет света, или "излучение абсолютно чёрного тела", испускаемого заготовкой, является приблизительным индикатором температуры. Температуру часто оценивают, наблюдая за цветовой температурой металла, при этом переход от тёмно-вишнёво-красного к оранжево-красному (815 °C (1499 °F) до 871 °C (1600 °F)) соответствует образованию аустенита в сталях средней и высокой углеродистости. В видимом спектре яркость этого свечения увеличивается с ростом температуры. При цвете тёмно-вишнёво-красном свечение достигает минимальной интенсивности и может быть незаметным при дневном свете. Поэтому кузнецы обычно аустенитизируют сталь в условиях низкой освещённости, чтобы точно определить цвет свечения.