Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Аустенит — высокотемпературная фаза железа и стали с гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решёткой. Именно аустенит является исходной структурой для всех основных видов термической обработки: закалки, нормализации и отжига. Понимание его свойств и механизмов превращения определяет результат любого термического цикла.
Аустенит представляет собой твёрдый раствор углерода в γ-железе с гранецентрированной кубической решёткой. В такой решётке атомы железа расположены в вершинах и центрах граней куба, а атомы углерода занимают октаэдрические поры. Параметр решётки аустенита составляет около 0,357–0,365 нм и закономерно возрастает с увеличением содержания углерода и большинства легирующих элементов.
ГЦК-структура аустенита обеспечивает коэффициент упаковки атомов около 74%, что значительно плотнее ОЦК-решётки феррита (~68%). Именно поэтому аустенит обладает более высокой плотностью, чем феррит, и при охлаждении во время любого фазового превращения аустенита — перлитного, бейнитного или мартенситного — происходит увеличение объёма на 1–4%. Эти объёмные изменения являются причиной закалочных напряжений в деталях.
Высокая растворимость углерода в аустените достигает 2,14% по массе при температуре 1147 °C (точка E на диаграмме Fe–Fe₃C). Для сравнения: феррит растворяет не более 0,025% C при 727 °C, поскольку октаэдрические поры в ОЦК-решётке примерно вдвое меньше, чем в ГЦК.
Аустенит — парамагнитная фаза: ГЦК-структура γ-железа не поддерживает ферромагнитный порядок. Феррит становится парамагнитным выше точки Кюри (770 °C). Немагнитность аустенита широко используется на практике — именно так в производственных условиях быстро отличают аустенитные нержавеющие стали от ферритных и мартенситных марок.
Область стабильного существования аустенита на диаграмме железо–углерод ограничена линиями A1 (727 °C), A3 и Acm. Нижняя граница A1 соответствует эвтектоидной температуре, выше которой стали при нагреве переходят в аустенитное состояние. В системе Fe–Fe₃C эта температура составляет 727 °C для нелегированных сталей; легирующие элементы смещают её как в сторону повышения, так и понижения.
Критическая точка A3 зависит от содержания углерода: для чистого железа она составляет 912 °C, а при увеличении C до 0,77% снижается до 727 °C. Для заэвтектоидных сталей верхней границей однофазной аустенитной области служит линия Acm, поднимающаяся по мере роста содержания углерода.
Легирующие элементы существенно смещают температурные границы аустенитной области. Аустенитообразующие элементы (Ni, Mn, Co, N, Cu) расширяют γ-область вниз по температуре — именно так получают стабильные аустенитные стали, сохраняющие ГЦК-структуру при комнатной температуре. Ферритообразующие элементы (Cr, Si, Mo, V, W, Ti, Al) сужают γ-область, поднимая A3 и снижая A1; в достаточном количестве они полностью закрывают γ-область, формируя ферритные или мартенситные стали.
Поведение переохлаждённого аустенита при охлаждении ниже A1 определяет конечную структуру и механические свойства стали. Существуют три принципиально различных механизма превращения, каждый из которых реализуется в своём температурном диапазоне и при определённой скорости охлаждения.
Перлитное превращение протекает в диапазоне температур от 727 °C до ~500 °C. Это диффузионный процесс: аустенит распадается на эвтектоидную смесь феррита и цементита (Fe₃C). Чем ниже температура превращения — тем тоньше межпластинчатое расстояние и выше твёрдость продукта. В российской металловедческой традиции различают три дисперсные разновидности перлита в зависимости от степени измельчения пластинок.
В диапазоне ~250–500 °C реализуется бейнитное превращение — промежуточное между диффузионным и бездиффузионным. Бейнит представляет собой феррит с тонкодисперсными карбидами. Различают верхний бейнит (перистая морфология, 350–500 °C, твёрдость 40–45 HRC) и нижний бейнит (игольчатое строение, 250–350 °C, твёрдость 45–55 HRC).
Нижний бейнит по сочетанию прочности и ударной вязкости превосходит отпущенный мартенсит при той же твёрдости — это установлено в ряде классических работ по физике металлов (Bhadeshia, Honeycombe). Поэтому изотермическая закалка на нижний бейнит широко применяется для пружин, штампового инструмента и высоконагруженных шестерён.
При охлаждении со скоростью выше критической мартенситное превращение начинается при температуре Мн (начало мартенситного превращения) и заканчивается при Мк (конец превращения). Для стали с 0,6–0,8% C: Мн ≈ 220–300 °C, Мк ≈ от 0 до –50 °C в зависимости от точного содержания углерода.
Мартенсит — пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе с тетрагональной объёмно-центрированной решёткой (ОЦТ). Степень тетрагональности (c/a) линейно возрастает с ростом содержания углерода. Твёрдость мартенсита при содержании C 0,6–0,8% достигает 58–65 HRC.
Ниже температуры Мк часть аустенита может не успеть превратиться — она сохраняется как остаточный аустенит. В высокоуглеродистых и высоколегированных сталях его количество достигает 20–30% и более. Остаточный аустенит снижает твёрдость и стабильность размеров изделия, поэтому после закалки применяют обработку холодом (–70...–196 °C) или многократный отпуск.
С-диаграмма (диаграмма температура–время–превращение, ТТТ) отображает кинетику распада переохлаждённого аустенита в изотермических условиях. Название «С-образная» отражает характерную форму кривых начала и конца превращения на осях «температура–логарифм времени».
Минимум С-кривой — нос диаграммы — соответствует максимальной скорости распада аустенита. Для нелегированных углеродистых сталей нос расположен в диапазоне 500–550 °C, а инкубационный период составляет единицы секунд. Для высоколегированных инструментальных сталей нос смещается вправо вплоть до десятков минут, что и обеспечивает их высокую прокаливаемость. Положение носа диаграммы определяет критическую скорость закалки.
Прокаливаемость — способность стали получать мартенситную или преимущественно мартенситную структуру на заданную глубину — напрямую определяется устойчивостью переохлаждённого аустенита. Её оценивают по методу торцевой закалки по Джомини (ГОСТ 5657-69, ISO 642:1999). Расстояние от закалённого торца, при котором твёрдость снижается до 50 HRC, служит количественной характеристикой прокаливаемости.
Для углеродистых конструкционных сталей (например, сталь 45 по ГОСТ 1050-2013) критическая скорость закалки составляет около 200–400 °C/с, что обеспечивает мартенситную структуру лишь в тонком поверхностном слое диаметром до 10–15 мм. Легированные стали (40ХН2МА, 38ХМА по ГОСТ 4543-2016) благодаря смещению С-кривой прокаливаются насквозь при диаметрах до 80–120 мм в масле.
Особый класс представляют аустенитные нержавеющие стали (типа AISI 304, AISI 316, 12Х18Н10Т по ГОСТ 5632-2014), в которых γ-фаза стабильна при комнатной температуре благодаря высокому содержанию никеля (8–14%) и хрома (17–25%). Такие стали немагнитны, хорошо свариваются и обладают высокой коррозионной стойкостью. Термическое упрочнение (закалка на мартенсит) для них невозможно из-за стабильности аустенита.
Упрочнение аустенитных сталей достигается холодной пластической деформацией (наклёп). В ряде составов при деформировании возможно деформационно-индуцированное мартенситное превращение (TRIP-эффект), характерное для метастабильных аустенитных сталей и специальных TRIP-сталей. В этих сталях после интенсивного наклёпа временное сопротивление разрыву может достигать 1200–1500 МПа при сохранении достаточного удлинения. Для стандартных аустенитных нержавеющих сталей (304, 316) уровень прочности после наклёпа, как правило, составляет 600–1000 МПа.
Аустенит — фундаментальная фаза в металловедении сталей. Его ГЦК-решётка, высокая растворимость углерода (до 2,14%), плотность ~8,0 г/см³ и управляемые превращения при охлаждении лежат в основе всего арсенала термической обработки. Зная температурные границы аустенитной области (A1, A3, Acm), форму ТТТ-диаграммы и температуры Мн/Мк конкретной марки стали, технолог-термист может целенаправленно получать перлит, сорбит, троостит, бейнит или мартенсит с заданным комплексом механических свойств. Это делает аустенит и его превращения ключевой темой как для понимания теории, так и для решения практических задач термической обработки конструкционных и инструментальных сталей.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.