Аустенит — высокотемпературная гранецентрированная модификация железа

1

Боровиков А.В. 1
1 Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова
В данной статье анализируется диаграмма Fe — C (Fe – Fe 3 C).

На основе поставленной цели работы были поставлены и выполнены следующие задачи: вычерчена диаграмма и дано её описание (описание всех линий: линия AВCD – линия ликвидус, линия AHJECF – линия солидус, линия GSE – линия вторичной кристаллизации стали, линия GPSK – линия конца вторичной кристаллизации стали, линия EF – линия начала вторичной кристаллизации чугуна, линия SK – линия конца вторичной кристаллизации чугуна); указаны структурные составляющие и фазы во всех областях диаграммы; даны их определения с указанием твердости; описаны превращения и построена кривая охлаждения в интервале от 16000 до 6000 С0 (с применением правила фазы) для сплава с содержанием углерода С = 5,0%; выбрана для заданного сплава любая температура между линиями ликвидус и солидус и определено: содержание углерода в фазах а также количественное соотношение фаз в %; изображена микроструктура заданного сплава при комнатной температуре; по микроструктуре описаны примерные механические свойства. Все диаграммы (диаграмма состояния железо – углерод, определение состава фаз) и кривые (кривая охлаждения), изображения (первичный цементит и ледебурит) наглядно изображены на рисунках.

1. В. М. Александров. Материаловедение. Ч. I. Общее металловедение: курс лекций. — [Текст]. – Архангельск: САФУ, 2010. – 99 с.
2. Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г. Г. Мухин. Материаловедение: учебник для вузов. — [Текст]. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. – 648 с.
3. Р.К. Мозберг. Материаловедение. — [Текст]. -учебн. пособ. М.: Высш. шк., 1991. 480 с.
4. Т.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин. Материаловедение и технология металлов. — [Текст]. — учебник для вузов. М.: Высш. шк., 2002. – 638 с.
5. В.Н. Журавлёв., В.И. Николаев. Машиностроительные стали. — [Текст]. — справочник. М.: Машиностроение, 1992. – 480 с.
6. И.С. Стерин. Машиностроительные материалы. Основы материаловедения и термической обработки: — [Текст]. — учеб. пособие. СПб.: Политехника, 2003. – 344 с.

• Цель работы: проанализировать диаграмму Fe-C (Fe-Fe3C) [1].
• На основе цели работы были поставлены следующие задачи:
• 1) Вычертить диаграмму и дать её описание;
• 2) Указать структурные составляющие и фазы во всех областях диаграммы, дать их определение с указанием твердости;
• 3) Описать превращения и построить кривую охлаждения в интервале от 16000 до 6000 С0 (с применением правила фазы) для сплава с содержанием углерода С= 5,0%.
• 4) Выбрать для заданного сплава любую температуру между линиями ликвидус и солидус и определить:
• • Содержание углерода в фазах;
• • Количественное соотношение фаз в %.
• 5) Изобразить микроструктуру заданного сплава при комнатной температуре;
• 6) По микроструктуре описать примерные механические свойства.
• Ход работы:
• 1) Анализ и описание диаграммы Fe – C (Fe -Fe3C) (рисунок 1):

Рис.1. Диаграмма состояния железо — углерод

1. На диаграмме представлены следующие линии: [2].
2. Линия AВCD – линия ликвидус. Выше неё сплавы находятся в жидком состоянии;
3. Линия AHJECF – линия солидус. Ниже неё все сплавы находятся в твердом состоянии;
4. Линия GSE – линия вторичной кристаллизации стали;
5. Линия GPSK – линия конца вторичной кристаллизации стали;
6. Линия EF – линия начала вторичной кристаллизации чугуна;
7. Линия SK – линия конца вторичной кристаллизации чугуна;
8. Ниже линии PSK ни каких изменений не происходи.
9. 2) Определение структурных составляющих и фаз во всех областях диаграммы с указанием твердости:

· Аустенит (γ-фаза) — это высокотемпературная гранецентрированная модификация железа и его сплавов. Фаза была названа в честь Уильяма Чандлера Робертс-Остина. В углеродистых сталях аустенит представляет собой твёрдый раствор (внедрения) углерода в γ — железе (Feγ) с мягкой (HB 30-40), пластичной структурой.

В данном растворе атомы углерода входят внутрь элементарной ячейки γ – железа во время конечной термообработки. В сталях, которые содержат другие металлы кроме железа и легированных сталей, в кристаллической решётке атомы металлов замещают атомы железа и возникает твёрдый раствор замещения.

Аустенит имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую (ГЦК) решетку. Его структура представлена одной фазой в виде твёрдого раствора, который может иметь переменный состав в зависимости от температуры. Чем выше температура, тем больше, углерода растворяется в решетке γ — железа.

Максимальная растворимость составляет 2,14% (при 1147°С), минимальная – 0,8% (в углеродистых сталях аустенит существует при температурах не ниже при 727°С).

В легированных сталях аустенит может существовать и при гораздо более низких температурах. Аустенитную фазу стабилизирует такой элемент как никель. Присутствие никеля в размере от восьми до десяти процентов приводит к тому, что аустенитная фаза сохраняется и при комнатной температуре [3,4].

· Цементит — это карбид железа (метастабильная фаза). Его химическая формула имеет вид Fe3C. Он представляет собой химическое соединение железа с углеродом. Цементит содержит 6,67% углерода и обладает высокой твёрдостью НВ 800.

Цементит имеет орторомбическую кристаллическую решётку, он очень твёрд и хрупок, а также слабо магнитен до 210оС. Цементит может иметь различную форму (пластин, равноосных зёрен, сетки по границам зёрен и видманштеттову структуру) в зависимости от условий кристаллизации и последующей обработки.

Он разлагается при температуре выше 1650оС. В разных количествах в зависимости от концентрации цементит присутствует в железоуглеродистых сплавах уже при малых содержаниях углерода. Его формирование происходит в процессе кристаллизации из расплава чугуна.

Цементит образуется при охлаждении аустенита или при нагреве мартенсита. Цементит является фазой и структурной составляющей железоуглеродистых сплавов, а также составной частью перлита, сорбита, ледебурита и троостита.

Он является представителем фаз внедрения, соединения переходных металлов с лёгкими металлоидами. Цементит серый, твёрдый и термически устойчивый. Он не реагирует с щелочами, водой и гидратом аммиака. Реагирует с кислотами.

· Ледебурит — это структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, главным образом чугунов, которые представляют собой эвтектическую смесь цементита и аустенита в интервале температур 727-1147оС или цементита и перлита в диапазоне температур ниже 727оС.

Ледебурит имеет очень твёрдую и хрупкую структуру и имеет твёрдость HB 700. Он был назван в честь немецкого металлурга Карла Генриха Адольфа Ледебура. Основной фазой инициирующей зарождение ледебурита является цементит.

Ледебурит присутствует в следующих железоуглеродистых сплавах: чугунах (доэвтектических чугунах, эвтектическом чугуне, в заэвтектических чугунах), сталях.

· Феррит — это фазовая составляющая сплавов железа, которая представляет собой твёрдый раствор углерода и легирующих элементов в α-железе (α-феррит). Феррит имеет мягкую и вязкую структуру, его твёрдость составляет HB 90-100. Твёрдый раствор углерода в α- железо Feα.

Феррит имеет кубическую объёмно-центрированную кристаллическую (ОЦК) решётку. Он является фазой составляющих других структур, например, перлита, состоящего из цементита и феррита.

При температурах выше 1401 °С в железоуглеродистых сплавах образуется твёрдый раствор углерода в δ-железе, который можно рассматривать как высокотемпературный феррит.

· Перлит — это горная порода вулканического происхождения. Перлит представляет собой эвтектоидную смесь, состоящую из двух фаз — феррита и цементита. Структура достаточно прочная с твёрдостью HB 180-220. Образование перлита — это очень интересный процесс.

На кромке потока лавы в местах первичного соприкосновения земной поверхности и магматических расплавов, в результате быстрого охлаждения лавы формируется вулканическое стекло под названием обсидиан. Уже в дальнейшем под воздействием подземных вод происходит его гидратация и в результате образуется перлит.

Для него характерна мелкая концентрически-скорлуповатая отдельность, по которой он распадётся на округлые ядра, которые напоминают жемчужины с характерным блеском. Среди всех остальных вулканических пород перлит отличается наличием конституционной воды (более 1%). Его пористость может быть от 8 до 40 процентов.

Перлит может иметь чёрную, красно-бурую, коричневую, зелёную, белую окраску различных тонов. Различают следующие разновидности перлита: обсидиановый, смолянокаменный, сферолитовый, стекловатый и другие. По текстурным признакам выделяют полосчатый, массивный, брекчиевидный и пемзовидный перлиты.

3) Описание превращения и построение кривой охлаждения в интервале от 16000 до 6000 С0 (с применением правила фазы) для сплава с содержанием углерода С= 5,0%:

Сплав, содержащий 5.0% С, при охлаждении (при температуре t1) начинает затвердевать. Из жидкого сплава выпадают кристаллы цементита. При понижении температуры образуются новые кристаллы с большим содержанием углерода, а ранее выпавшие кристаллы цементита продолжают расти, обогащаясь углеродом.

Из этого следует, что наращиваемые слои на поверхности кристаллов содержат больше углерода, чем центральные. Всё это вызывает внутрикристаллическую, или дендритную ликвацию. Вследствие протекания диффузионных процессов в выпавших кристаллах происходит частичное выравнивание состава.

Этот процесс протекает медленно, и затвердевший сплав имеет внутрикристаллитную ликвацию [5].

В интервале температур от 1147 °С до 727 °С при охлаждении чугуна цементит обедняется углеродом, его состав изменяется по линии ЕS и выделяется ледебурит.

При небольшом переохлаждении ниже 727 °С в заэвтектических белых чугунах из жидкости кристаллизуется первичный цементит в виде плоских игл, затем образуется ледебурит. При комнатной температуре заэвтектический белый чугун содержит две структурные составляющие: первичный цементит и ледебурит.

Фазовый состав белых чугунов при комнатной температуре такой же, как в углеродистых сталях. В равновесном состоянии, все они состоят из феррита и цементита.

• Таким образом, после вторичной кристаллизации стали при температуре ниже 7270 С имеют следующую структуру: доэвтектоидны–перлит, цементит и ледебурит, эвтектоидные –ледебурит и заэвтектоидные – ледебурит и цементит.
• Кривую охлаждения данной стали можно построить с использованием правила фаз: [6].
• Зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением С =k–f+1,
• Где,
• С – число степеней свободы системы (вариантность системы);
• k – число компонентов, образующих систему;
• 1 – число внешних факторов;
• f – число фаз, находящихся в равновесии.
• Под числом степеней свободы пронимают возможность изменения температуры и давления без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.
• Применяя правило фаз, определим степень свободы для точек 1,2,3.
• 1 — С=2-2+1≠0;
• 2 — С=2-3+1=0;
• 3 — С=3-2+1≠0 (рисунок 2).

Рис.2. Кривая охлаждения

4) Выбор для заданного сплава температуры между линиями ликвидус и солидус и определение: содержания углерода в фазах и количественного соотношения фаз в %:

a) Выберем, например, температуру t2 (рисунок 3).

Через эту точку проведём изотерму, пересекающую диаграмму по линиям ликвидус и солидус.

Для определения концентрации углерода в фазе ледебурит и цементит из точки пересечения изотермы и линии солидус опустим перпендикуляр на ось концентрации углерода.

Для определения концентрации углерода в жидкой фазе из точки пересечения изотермы и линии ликвидус опустим перпендикуляр на ось концентрации углерода.

1. b) Количественное соотношение фаз определим по правилу отрезков:
2. Процентное содержание жидкой фазы (a/a+б) *100%
3. Процентное содержание ледебурит+цементит (б/a+б) *100%
4. Так как б > а, то содержание ледебурит+цементит больше содержания жидкой фазы.

Рис.3. Определение состава фаз

5) Изображение микроструктуры заданного сплава при комнатной температуре:

При комнатной температуре заэвтектический белый чугун содержит две структурные составляющие: первичный цементит и ледебурит (рисунок 4).

Рис.4. Первичный цементит и ледебурит

6) Описание примерных механических свойств по микроструктуре:

Из-за присутствия большого количества цементита белый чугун обладает высокой твердостью (HB = 4500 – 5500 МПа), хрупок и практически не поддастся обработке резанием. Поэтому белый чугун имеет ограниченное применение, как конструкционный материал.

Библиографическая ссылка

Боровиков А.В. АНАЛИЗ ДИАГРАММЫ FE-C (FE-FE3C) // Международный студенческий научный вестник. – 2019. – № 4. ;
URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=19703 (дата обращения: 01.09.2022).

Аустенит

Человечество, с момента начала обработки и использования железной руды пыталось улучшить свойства получаемого металла. Прочность, гибкость, сопротивляемость слишком низким и чересчур высоким температурам – самые желаемые параметры, для сталеваров тех эпох. Но пока не было разработано легирование металла существовало слишком мало способов получить качественные сплавы.

Суть любой модификации вносимого посредством такого способа – изменение кристаллической решетки железа, для получения необходимых свойств.

Выполняется путем добавления в изначальный расплав или шихту руды примесей, которые тем или иным способом замещают частицы в атомарной структуре Fe, придавая ей при определенных тепловых режимах различные формы.

Кроме того, добавки позволяют также стабилизировать полученный результат, для сохранения его при более низких температурах. Ведь при изменении уровня нагрева железа – вид решетки опять меняется, принимая другие формы без закрепления желаемых свойств.

Одна из фаз структуры, возникающих при температуре выше 733°С (для легированных смесей) или при 910—1401 °C для чистого расплава железной руды для углеродных сталей – аустенит, названная так по части фамилии открывшему ее ученого – Уильяма Чандлера Робертс-Остина (англ. William Chandler Roberts-Austen, 1843-1902).

Кристалл железа получаемый в этих пределах нагрева имеет кубическую форму, в которой все атомы структурного состояния вещества располагаются на равных расстояниях друг от друга, образовывая сам аустенит.

Так как при снижении температуры стали кристаллические решетки аустенита разрушаются, изменяясь, – в состав вводятся добавки металлов никеля, хрома, углерода, молибдена, марганца, азота атомы которых частично замещают изначальные элементы железа, не допуская распада.

Частицы этих металлов имеет меньший размер относительно Fe, и вытесняя его, но сохраняя силу притяжения между элементами системы, они не дают при изменении температурных условий ввести в кристалл новые атомы железа, которые разрушат его.

Такая форма кристаллов Y-Fe придает новые, очень необходимые технике свойства сплавов, что обеспечивает их использование от строительства корпусов транспортных средств и до электроники:

• частично или полностью сталь утрачивает способность к магнитному воздействию;
• повышается сопротивление температуре плавления и изменения свойств металла при нагреве;
• железо менее подвержено взаимодействию с кислородом – окислением, причем вне зависимости от изначальной среды, в которой оно происходит — влага, воздух или чистый газ;
• меньшее влияние на результирующий состав оказывают агрессивные вещества – кислоты и щелочи;
• структура металла меньше меняется от агрессивного падения температуры, сохраняя плотность взаимодействия между кристаллами вещества.

В зависимости от состава, само часто используются марки стали аустенит-фазы:

1. 03Х21Н21М4ГБ, 08Х17Н15М3Т, 08X17Н13M2T, 03X16H15M3, 10Х17Н13М3Т – хром+никель+молибден.
2. 02Х8Н22С6, 15Х18Н12C4Т10 – с высоким содержанием кремния.
3. 08Х18Н12Б, 03Х18Н11, 08X18H10T, 06X18Н11, 12X18H10T, 08X18H10 – хром + никель.
4. 07Х21Г7AН5, 10X14AГ15, 10X14Г14H4T – хром+марганец и хром+марганец+никель.

К сожалению, выловить именно металлы, содержащие большее количество элементов аустенитовой части физики процесса довольно сложно, все дело в неоднородности остывания и нагрева металлических изделий.

Собственно, когда он происходит – получается, как бы несколько слоев разных форм кристаллов, в зависимости от времени воздействия температуры на ту или иную фазу и какое количество дополнительных атомов присутствовало при этом.

В любом материаловедении указывается, что кроме аустенита есть формы решетки характерные для различных фазовых состояний:

1. Феррит – отвердевшая смесь кристаллов, содержащих большое количество углерода и других атомов добавок, используемых в лигатурном процессе при получении аустенита. Собственно, это и есть сплав железа, без изменения его свойств. Он подвержен магнетизму, относительно мягок, взаимодействует с активными веществами во всех средах, где находится.
2. Цементит – очень твердая, подобная стеклу структура. Разрушается при определенном воздействии на него. Кристаллы его обладают орторомбической формой, формируясь в процессе расплава между элементами фаз феррита и аустенита.
3. Мартенсит – кристаллические элементы, пересыщенные углеродом, которые возникают в основном при закалке аустенита.

Единственные способы определения количественного наличия остаточного аустенита в готовом металле, от которого зависит его маркировка и последующее использование – рентгеноструктурный анализ, электронная сквозная микроскопия, испытания проникающими красителями и вихревыми токами.

Что такое аустенитная сталь? Основные характеристики, марки и применение

Требуемые свойства металла закладываются не только в процессе выплавки, но и термической обработкой — нагревом и охлаждением, вызывающей необратимые структурно – фазовые изменения, влияющие на качество.

Процесс нагрева стали до 1050 — 1100 С, кратковременное (10 мин) выдерживание при этой температуре и последующее быстрое охлаждение называется аустенизацией. 

Аустенит, особенности строения, разновидности

Аустенит – образование, полученное в твердом растворе внедрения углерода в Y- железо (высокотемпературная модификация железа) с гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК). Именно расположение атомов в кристаллической решетке определяет характеристики стали – стойкость при низких и высоких температурах, отсутствие магнитных свойств, химическую инертность, прочность.

Благодаря различным превращениям аустенитной структуры стали существуют следующие ее виды: 

• Феррит – твердый раствор углерода в объемноцентрированной кубической решетке (ОЦК)-железа.  
• Охлаждение аустенита до 730 °C приводит эвтектоидную смесь двух фаз — феррита и цементита в перлит.
• Резкое снижение температуры формирует мартенсит.

Изменения в кристаллической решетке предусматриваются заранее, решающие факторы процесса – время выдержки, запрограммированные температуры нагрева и охлаждения. 

Аустенитные сплавы 

Аустенитная сталь – модификация железа с высокой степенью легирования основными компонентами – хромом и никелем. 

Хром – содержание от 13% до 19% способствует покрытию поверхности сплава оксидной пленкой, исключающей коррозию. 

Никель – элемент, концентрация которого в 9-12% стабилизирует в железе аустенит. Повышается прочность и пластичность стали.

Дополнительные химические добавки бывают двух видов:

1. Ферритизаторы
• Кремний и марганец повышают прочность структуры аустенита.
• Титан и ниобий добавляют в хладостойкие сплавы.
2. Аустенизаторы
• Углерод – в его задачу входит образование карбидов, придающих повышенную прочность. Максимальное количество в составе – 10%.
• Азот – заменяет углерода при требовании к будущему изделию стойкости в отношении химического и электрического воздействия.
• Бор – способствует увеличению пластичности.

Для легирования подбирают добавки, соответствующие эксплуатационному назначению и влияющие на физические, химические, технологические свойства сплава. 

Марки аустенитной стали 

В результате комбинаций и пропорций легирующих примесей получены марки сталей с ярко выраженными характеристиками, позволяющими выделить три основные группы.

Коррозионностойкие

• К ним относятся: 08Х18Н10 (хром и никель), 07Х21Г7АН5 (с включением марганца), 03Х16Н16ЬЗ (с добавкой молибдена), 15Х18Н12С4Т10 (увеличенное содержание кремния). 
• Хромоникелевые нержавеющие стали отличаются высокой пластичностью при горячей и холодной деформациях. 
• Низкий процент содержания углерода в структуре обеспечивает свойство сопротивляться коррозии при нагревании, а содержание хрома 13% и выше укрепляет эту особенность в слабоагрессивных средах, более 17% – проявляет стойкость в таких агрессивных средах, как 50%-азотная кислота.

Жаропрочные 

В этой группе представлены: 08Х16Н9М2, 10Х14Н16Б, 10Х18Н12Т, 10Х14Н14В2БР. 

Содержание хрома в сплаве более 12% образует прочную пленку оксида, обеспечивающую окалино- и жаростойкость, сопротивляемость воздействию высоких температур (до 1100 °C). Структура сталей укрепляется легированием ванадия или молибдена, вольфрама и т.п. 

Сплавы с такой характеристикой востребованы при изготовлении турбин самолетов, деталей двигателей внутреннего сгорания машин, при контактах изделий с раскаленными предметами, паром, огнем и пр.

Хладостойкие

Характерные представители: 03Х20Н16АГ6 и 07Х13Н4АГ20.  

Эффект создается за счет повышенного содержания никеля 25% и 17-19% хрома, придающих сплавам высокую вязкость и пластичность, повышенную стойкость к коррозии. Сплавы незаменимы в процессах, проходящих в криогенном режиме. 

Данные свойства сохраняются при резком снижении температуры, но в условиях комнатной температуры характеристики способны измениться в худшую сторону. 

Применение хладостойких сплавов ограничено из-за высокой стоимости входящего в состав никеля.

Маркировка

Сочетание букв и цифр, характеризующих сплав, обусловлено нормами ГОСТ 5632-2014.

На первом месте стоит цифра – указание в процентах долей углерода. Потом обозначение добавок с процентным содержанием в составе.

Примечание: небольшие примеси не отображаются в маркировке, но обязательно перечисляются в техническом паспорте сплава.

Пример: 15Х18Н12С4Т10 – 0,15% углерода, хром 18%,никель 12%, кремний 4%, титан10%

Применение

Изделия из нержавеющей стали аустенитного класса используются в механизмах, работающих в агрессивных средах, а также в сложных температурных условиях.

Поставляются в виде полуфабрикатов: 

• Листов толщиной от 4 до 50 мм.
• Поковок – изделий заданной формы, которые используются в качестве заготовок для производства широкого спектра продукции. 

Требования к данному классу сталей оговариваются в нескольких нормативных документах: 

1. ГОСТ 5632 – общие требования. 
2. ГОСТ 5949 – требования к механическим свойствам.
3. ГОСТ 7350, 5582, 4986 определяют перечень марок листового проката.
4. ГОСТ 18143 – требования к объёмным профилям (пруток, проволока).
5. ГОСТ 11068, 9940, 9941 содержат технические условия производства нержавеющих труб.

Аустенитные сплавы обеспечивают широкие возможности для организации сложных технологический процессов в нефтяной и химической промышленности, космической отрасли, самолетостроении, медицине, радио- и электротехнике.

Аустенит | это… Что такое Аустенит?

• АУСТЕНИТ — (от имени английского металлурга У. Робертса Остена W. Roberts Аusten; 1843 1902), структурная составляющая железоуглеродистых сплавов твердый раствор углерода (до 2%), а также легирующих элементов в ? железе. В углеродистых сталях и чугунах… …   Большой Энциклопедический словарь
• аустенит — Тв. р р на базе Fey с ГЦК решеткой. А. — одна из основных фаз в сталях и чугунах. В большинстве сталей и чугунов а. как термодинамически стабильная фаза существует только при повыш. темп рах (см. Диаграмма состояния Fe C). В высоколегир.… …   Справочник технического переводчика
• АУСТЕНИТ — одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов, твёрдый раствор углерода (до 2%) и легирующих элементов в модификации гамма железа. А. немагнитен, отличается умеренной твёрдостью, пониженной упругостью, значительной прочностью и… …   Большая политехническая энциклопедия
• аустенит — (от имени английского металлурга У. Робертса Остена, W. Roberts Austen; 1843 1902), структурная составляющая железоуглеродистых сплавов  твердый раствор углерода (до 2%), а также легирующих элементов в γ железе. В углеродистых сталях и чугунах… …   Энциклопедический словарь
• АУСТЕНИТ — твердый раствор углерода и легирующих элементов в γ железе γ Fe (C). Содержание углерода менее 2,0 %. Кристаллическая решетка аустенита аналогична γ Fe. Твердость HB: 170 220. Период решетки аустенита изменяется в зависимости от …   Металлургический словарь
• Аустенит — [austenite] твёрдый раствор на базе Feγ с ГЦК решеткой. Аустенит одна из основных фаз в сталях и чугунах. В большинстве сталей и чугунов аустенит как термодинамически стабильная фаза существует только при повышенных температурах (Смотри Диаграмма …   Энциклопедический словарь по металлургии
• аустенит — (по имени англ. металлурга робертса остена (roberts austen), 1843 1902) одна из структурных составляющих стали и чугуна, представляющая собой немагнитный твердый раствор углерода (до 2%) или углеродистого железа в гамма железе; обычно устойчив… …   Словарь иностранных слов русского языка
• аустенит — austenitas statusas T sritis chemija apibrėžtis Homogeninė plieno fazė, kurioje gali būti iki 2,14% anglies ir kuri išlieka >727 °C temperatūroje. atitikmenys: angl. austenite rus. аустенит …   Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
• Аустенит —         одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов, твёрдый раствор углерода (до 2%)и легирующих элементов в железе (см. Железо). А. получил название по имени английского учёного У. Робертса Остена (W. Roberts Austen, 1843 1902) …   Большая советская энциклопедия
• Аустенит — название (в честь Roberts Austen a), предложенное Осмондом для одной из микрографических составляющих (фаз) железоуглеродистых сплавов, наблюдаемой иногда при быстром охлаждении (ледяной водой) богатых углеродом сплавов (около 1,57 % С), нагретых …   Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Аустенитная сталь: как получают и где применяется

СОДЕРЖАНИЕ

Аустенитная сталь – это один из видов, который отличается особой прочностью, причем как к механическим, так и к температурным нагрузкам. Сталь такого рода не является конкретной маркой, а объединяет несколько видов сплавов, которые отличаются по своему составу.

Следствием высокой прочности и термостойкости аустенитной стали являются трудности в ее обработке, особенно сварка. В нашей статье мы расскажем, какие разновидности этой стали бывают, поговорим о способах ее получения и разберемся с особенностями сварки и другой обработки аустенитных сталей.

Понятие аустенитной стали

Аустенитом называется вид гранецентрированной стали, полученный введением углерода в Y-железо (высокотемпературная модификация металла). Гранецентрированная кубическая решетка влияет на свойства материала: устойчивость в критических температурных режимах, отсутствие магнитности, химическая инертность, прочность.

Эта фаза была названа по имени одного английского металлурга Уильяма Чандлера Робертс-Остина, который занимался исследованиями физических свойств металлов и их сплавов в конце XIX века.

В зависимости от вида кристаллической структуры выделяют несколько видов аустенитных сталей:

1. Феррит является твердым раствором углерода в объемноцентрированной кубической решетке (ОЦК) железа. 
2. Понижение температуры аустенита до 730 °C превращает эвтектоидную смесь двух фаз — феррита и цементита – в перлит.
3. При резком охлаждении металла образуется мартенсит.

• Чтобы получить определенную модификацию металла, заранее устанавливают важные параметры – время выдержки, температуры нагрева и охлаждения. 
• : «Высокоуглеродистая сталь»
• Стали аустенитного класса являются результатом легирования железа главными компонентами – хромом и никелем.

В них содержится от 13 до 19 % хрома, который образует оксидную пленку, защищающую от коррозии. Никель составляет 9-12 % объема сплава и увеличивает прочностные и пластические характеристики стали.

Высокое содержание хрома обеспечивает процесс пассивации стали, что значительно повышает устойчивость к коррозии во многих агрессивных окислительных средах, а том числе и азотной. Благодаря этим характеристикам аустенитные стали широко распространены во всех областях промышленности, где предъявляются высокие требования к коррозионной стойкости материала.

1. Значительное содержание никеля придает стали высокую пластичность и уменьшает склонность к росту зерна, тем самым гарантируя высокую технологичность.
2. : «Медные сплавы»
3. Также в сталь добавляют следующие компоненты:
4. Ферритизаторы:

• Кремний и марганец увеличивают прочность кристаллической решетки.
• Титан и ниобий повышают надежность хладостойких сплавов.

Аустенизаторы:

• Углерод способствует образованию карбидов, повышающих прочность стали. Доля этого элемента составляет 10 %.
• Азот применяют, если будущие металлические детали должны быть стойкими к химическим и электрическим воздействиям. 
• Бор повышает пластичность.

В зависимости от назначения сплава и требований к его свойствам (физическим, химическим, технологическим) выбирают легирующие добавки.

Качества аустенитной стали

Основные свойства аустенитных сталей:

• Высокая прочность. Металл во время эксплуатации остается прочным, упругим, устойчивым к высоким нагрузкам. Сталь сохраняет свои свойства и остается невредимой при резких колебаниях температуры: похолодании, морозе, нагреве от солнечных лучей, жаре, местном нагреве и прочем.
• Отсутствие магнитных свойств. Устройство кристаллической структуры нейтрализует магнитность железа и легирующих компонентов. Если с аустенитной сталью взаимодействует магнитный элемент, он не вызывает никакой ответной реакции в материале.
• Коррозионная устойчивость. Если температура находится в границах нормы, аустенитные стали не подвергаются воздействию азота, кислорода, углекислого газа, воды, соответственно, не окисляются и не ржавеют. Такие сплавы подходят для элементов, которые будут эксплуатироваться в морских условиях (корабли, мосты, турбины и прочее).
• Химическая инертность. Аустенитная сталь не взаимодействует с активными химическими элементами, если ее температура остается в пределах нормы. Сплав используют в изделиях, контактирующих с кислотами, щелочами, солями, радиоактивными компонентами. Сталь может долгие годы сохранять свои свойства и не разрушаться от химического воздействия активных элементов.

Получение и использование аустенитной стали

Начальная стадия получения аустенитных сталей характеризуется появлением в структуре сплава зерен. Первые изменения затрагивают поверхность во время фазы роста карбидов. Постепенно заготовка меняет свою структуру по всей толщине.

Вторым способом получения аустенитных сталей является нагрев перлитной модификации железа до 900 градусов. Сплав состоит из цементита и феррита.

Для производства применяют сталь с минимальным содержанием углерода – 0,66 % от общего количества вещества.

С повышением температуры свыше 900 градусов ферритная сетка превращается в аустенитную, а цементитная часть сплава исчезает. Результатом процесса является качественная нержавеющая аустенитная сталь.

Третий вариант производства заключается в использовании титановой смеси. Заготовку помещают в индукционную печь с вакуумом. Температуру повышают до критических значений и поддерживают в таком состоянии.

Во время нагрева металла из него испаряется азот. Период распада индивидуален и связан с габаритами заготовки. Потом постепенно вводят титан и прочие добавки и примеси.

Результатом являются нитриды в реакции с железом.

: «Высокоуглеродистая сталь»

Самым популярным способом получения аустенитной нержавеющей стали является производство высоколегированных хромоникелевых сплавов. В железо добавляют никель и хром, поддерживая длительное время высокую температуру. Такие меры дают следующие преимущества:

• коррозионную устойчивость;
• прочность;
• жаростойкость;
• большое количество карбидов.

При добавлении в металл молибдена и фосфора получали повышенную вязкость и усталостную прочность. 

Использование аустенитных сталей:

1. Детали, которые испытывают воздействие высоких температур (от 200 градусов до 1100). Сюда относятся самолетные турбины или другие элементы в двигателе. Стоит протестировать изделие на возникновение реакций при контакте с топливом, паром и прочими агрессивными факторами окружающей среды. Могут возникать трещины в металле. Чтобы этого избежать, в сплав добавляют ванадий и ниобий. Они помогают сформировать карбидную фазу и увеличить прочность поверхности. 
2. Разнообразные механизмы, подвергающиеся резким изменениям температурного режима. Это происходит при выполнении сварочных работ.
3. Электрические приборы, контакты. Аустенитные стали невосприимчивы к электромагнитным волнам и делают использование деталей безопасным для человека.
4. Изделия и устройства для эксплуатации в водной среде или условиях повышенной влажности. Например, трубы из аустенитных сталей. Коррозионная устойчивость сплавов предотвращает образование ржавчины, повреждение изделий. Содержание никеля и хрома увеличивают срок службы деталей.

Виды и маркировка аустенитной стали

В зависимости от качеств материалов аустенитные стали делятся на виды:

• Коррозионностойкие (нержавеющие). Они состоят из хрома (18 %), никеля (30 %) и углерода (0,25 %). Сплав используется в промышленном производстве с 1910 г. Отличительным свойством металла является повышенная устойчивость к коррозии. Высокие температуры также не могут привести к разрушению материала из-за низкого содержания углерода. При изготовлении сплавов применяют ГОСТ 5632-2014. Допускается содержание кремния, марганца, молибдена.
• Жаростойкие. Структура металла представлена ГЦК-решеткой. Такие сплавы выдерживают высокие температуры до 1100 °C. Из аустенитных сталей с высокой жаропрочностью производят печи, турбины роторов электростанций и других приборов, работающих на дизельном топливе. В сплав добавляют бор, ниобий, ванадий, молибден, вольфрам. Данные химические элементы увеличивают жаропрочность стали.
• Хладостойкие. Состав сплава включает в себя хром (19 %) и никель (25 %). Особенностью аустенитных металлов является отличная вязкость и пластичность. Сплав обладает высокой коррозионной устойчивостью. Структура металла позволяет противостоять резкому понижению температур. Использование изделий из этого вида стали при комнатной температуре нежелательно, так как они не имеют достаточной прочности в таких условиях.

Аустенитные высоколегированные стали относятся к дорогостоящим видам металлов, так как в их состав входят ценные химические элементы: хром и никель.

Добавки других легирующих компонентов, повышающих качественные характеристики сплавов, также существенно увеличивают цену производства этого материала.

Дополнительные элементы выбирают в зависимости от назначения того или иного изделия из аустенитной стали.

Производство аустенитных сплавов регулируется ГОСТ 5632-2014. В документе указаны следующие аустенитные стали и их марки:

• 12Х18Н9Т;
• 08Х18Н10Т;
• 12Х18Н10Т;
• 12Х18Н9;
• 17Х18Н9;
• 08Х18Н10;
• 03Х18Н11.

В названии каждого вида указано процентное содержание хрома, углерода и никеля в сплаве. Рассмотрим пример. 12Х18Н9 означает, что в материале содержится 18 % хрома, 10 % никеля, 0,12 % углерода. Некоторые марки имеют в названии букву T. Это значит, что в металле есть незначительное количество титана.

: «Технология сварки сталей»

По наименованию марки можно узнать главные свойства сплава. Высокое содержание никеля и хрома указывает на жаропрочность и устойчивость стали к развитию ржавчины. Зная концентрацию углерода, легко рассчитать время и температуру, когда на металлическом сплаве образуется межкристаллическая коррозия.

Нюансы обработки аустенитной стали

При производстве жаропрочных сплавов их подвергают разным термическим воздействиям. Обработка аустенитных сталей необходима для повышения указанных характеристик. Воздействие температуры помогает изменить структуру зерен, принцип и количество фаз дисперсии, размер зерновых блоков и другое.

Обжигу подвергаются стали с целью уменьшить их хрупкость и твердость, если этого требуют условия применения сплава. Сталь нагревают до 1200 градусов в течение тридцати минут и более, а затем резко охлаждают. При производстве высоколегированных сплавов для охлаждения используют масла, а также воздух. Стали с небольшим количеством химических элементов погружают в холодную воду.

Для соединения изделий из аустенитных металлов применяют технологии сварки. К ним относятся дуговая сварка, электрошлаковая сварка и сварка в среде защитных газов.

При проведении работ нужно учитывать множества факторов, что под силу опытному специалисту. Одна из особенностей аустенитного сплава – изменение свойств металла при нагревании.

Сварочные работы важно проводить в соответствии с алгоритмом. В противном случае сварной шов получится непрочным.

: «Сварка медных проводов: разбираемся в технологии»

Характеристика сварочного процесса (выводятся расчетным путем):

• температура +350 градусов – металл претерпевает диффузию и начинает терять пластичность;
• температура до +500 градусов – сплав изменяется термически, становится хрупким, карбиды растрескиваются, меняется теплопроводность;
• температура до +650 градусов – из сплава выпадают карбиды;
• нагрев выше +750 градусов – сталь становится совсем хрупкая, растрескивается, сварочный шов получается непрочным.

Для избежания негативных последствий в месте расположения шва заранее наплавляют небольшой слой металла с другим составом, что похоже на железную заплатку. Ее основные свойства – высокая жаростойкость и неподверженность коррозии. Заплатка защищает шов от образования трещин. Поверхностный металл следует обжечь при +800 градусах.

: «Контактная сварка»

Как проводят электрошлаковую сварку аустенитных сталей:

• применяют проволоку толщиной до 4 мм, что увеличивает затраты на изделие;
• для соединения массивных элементов необходимы электроды пластинчатого типа с толщиной до 1,5 см, качественные, но дорогостоящие;
• выполняют отжиг и закалку для предотвращения ножевой коррозии аустенитных сталей.

При использовании дуговой сварки всплывает множество нюансов. Например, металл нагревается местами, в районе шва могут образовываться оксиды железа, недалеко от соединения – трещины, что нежелательно для качества стали.

Использование во время сварочных работ защитных газов сводит к нулю образование трещин, окалины, ржавчины, налета. Подойдут такие газы, как гелий, аргон, углекислый. Для работы применяют импульсную или горячую дугу, а также ток с прямой полярностью. Особой эффективностью обладают плавящиеся электроды, которые предупреждают растрескивание шва.

: «Сварка нержавейки электродом»

Аустенитные стали пользуются популярностью в разных сферах. Это объясняется их качественными характеристиками. При работе с металлами нужно учитывать особенности термообработки, сварки и назначение будущих изделий.