Аустенит

Аустенит — это высокотемпературная полиморфная модификация железа и его сплавов, характеризующаяся гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решёткой. В чистом железе аустенит существует в интервале температур от 912 °C до 1394 °C. В легированных сталях и чугунах аустенит может быть стабилизирован до комнатной температуры и ниже за счёт введения определённых легирующих элементов, таких как никель, марганец, кобальт. Аустенит является одной из основных структурных составляющих стали наряду с ферритом, цементитом и мартенситом, и его свойства во многом определяют технологические и эксплуатационные характеристики сплавов.

История открытия и название

Фаза была названа в честь британского металлурга сэра Уильяма Чандлера Робертса-Остена (1843–1902), который внёс значительный вклад в изучение диаграмм состояния железо-углерод и термической обработки стали. В 1887 году он опубликовал работу, в которой впервые детально описал микроструктуру закалённой стали и связал её с аллотропическими превращениями железа. Термин «аустенит» был введён в научный обиход в начале XX века, когда с развитием металлографии стало возможным различать структурные составляющие сплавов под микроскопом.

Кристаллическая структура и свойства

Кристаллическая решётка

Аустенит имеет гранецентрированную кубическую решётку (ГЦК), в которой атомы железа расположены в вершинах и центрах граней куба. В такой решётке междоузлия (октаэдрические и тетраэдрические поры) относительно велики, что позволяет атомам углерода и других элементов внедряться в них, образуя твёрдый раствор внедрения. Максимальная растворимость углерода в аустените составляет 2,14 % по массе при температуре 1147 °C (эвтектическая точка на диаграмме Fe-C). Это значительно выше, чем в феррите (α-железе) с объёмно-центрированной кубической решёткой, где растворимость углерода не превышает 0,02 %.

Физические свойства

Аустенит обладает рядом характерных физических свойств:

Парамагнетизм: в отличие от феррита и мартенсита, аустенит не ферромагнитен. Он является парамагнетиком, то есть не намагничивается в обычных условиях. Это свойство используется для магнитного контроля структуры стали: наличие аустенита снижает магнитную проницаемость.
Высокая пластичность: аустенит имеет высокую ударную вязкость и пластичность, что делает его желательной фазой для многих конструкционных сталей, работающих при низких температурах.
Тепловое расширение: коэффициент термического расширения аустенита выше, чем у феррита, что необходимо учитывать при проектировании сварных конструкций и деталей, работающих при переменных температурах.
Твёрдость: твёрдость аустенита ниже, чем у мартенсита, но выше, чем у феррита. В чистом виде аустенит относительно мягок, но его прочность может быть повышена за счёт легирования и деформационного упрочнения.

Фазовые превращения

Образование аустенита (аустенитизация)

При нагреве стали выше критической точки A₃ (для доэвтектоидных сталей) или A₁ (для заэвтектоидных) феррито-цементитная смесь (перлит) превращается в аустенит. Этот процесс называется аустенитизацией. Он включает в себя перестройку кристаллической решётки из ОЦК в ГЦК и растворение цементита в аустените. Температура и время аустенитизации критически важны для последующей термической обработки: недостаточный нагрев приводит к неполному растворению карбидов, а перегрев — к росту зерна аустенита, что ухудшает механические свойства стали.

Распад аустенита при охлаждении

При охлаждении аустенит претерпевает фазовые превращения, характер которых зависит от скорости охлаждения:

Перлитное превращение (медленное охлаждение): аустенит распадается на феррито-цементитную смесь — перлит, сорбит или троостит. Структура получается относительно мягкой и пластичной.
Мартенситное превращение (быстрое охлаждение, закалка): при охлаждении со скоростью выше критической (закалочной) диффузионные процессы подавляются, и аустенит бездиффузионно перестраивается в мартенсит — пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе с тетрагональной решёткой. Мартенсит обладает высокой твёрдостью и хрупкостью.
Бейнитное превращение (промежуточная скорость охлаждения): при температурах между перлитным и мартенситным интервалами образуется бейнит — структура, состоящая из феррита и карбидов, обладающая хорошим сочетанием прочности и вязкости.

Остаточный аустенит

При закалке стали мартенситное превращение часто не завершается полностью, и часть аустенита сохраняется в структуре при комнатной температуре. Такой аустенит называется остаточным. Его количество зависит от химического состава стали (особенно от содержания углерода и легирующих элементов) и условий охлаждения. Остаточный аустенит может быть как полезным (повышает вязкость, снижает склонность к трещинообразованию), так и вредным (снижает твёрдость, может вызывать изменение размеров деталей при эксплуатации). Для его устранения применяют обработку холодом (глубокое охлаждение до отрицательных температур) или отпуск.

Стабилизация аустенита

Некоторые легирующие элементы расширяют область существования аустенита, понижая температуру его превращения. К таким элементам относятся:

Никель (Ni): один из самых эффективных аустенитообразующих элементов. Добавка никеля в количестве 8–10 % позволяет получить аустенитную структуру при комнатной температуре (например, в стали 12Х18Н9).
Марганец (Mn): также стабилизирует аустенит, но в меньшей степени, чем никель. Широко используется в экономнолегированных аустенитных сталях (например, 10Г14).
Кобальт (Co): повышает температуру превращения аустенита, но в сочетании с другими элементами может способствовать его стабилизации.
Азот (N): вводится в сталь для стабилизации аустенита и повышения прочности, особенно в азотсодержащих нержавеющих сталях.

Элементы, сужающие область аустенита (ферритообразующие), такие как хром, молибден, кремний, ванадий, при высоких концентрациях могут препятствовать образованию аустенита.

Классификация и виды аустенитных сталей

Аустенитные стали — это большая группа сплавов, в которых при комнатной температуре основная структурная составляющая — аустенит. Они делятся на несколько основных классов:

Нержавеющие аустенитные стали

Наиболее распространённый тип. Содержат 16–26 % хрома и 6–22 % никеля. Обладают высокой коррозионной стойкостью в различных средах, хорошей свариваемостью и пластичностью. Примеры: 12Х18Н9, 08Х18Н10Т, AISI 304, AISI 316. Применяются в пищевой, химической, нефтегазовой промышленности, в медицине и быту.

Жаропрочные аустенитные стали

Предназначены для работы при высоких температурах (до 700–800 °C). Легируются никелем, хромом, кобальтом, молибденом, вольфрамом. Сохраняют прочность и окалиностойкость в условиях длительного нагрева. Примеры: 12Х18Н12Т, 20Х23Н18, ХН35ВТ. Используются в газотурбинных двигателях, энергетике, печестроении.

Криогенные аустенитные стали

Сохраняют высокую ударную вязкость и пластичность при температурах до -253 °C и ниже. Содержат повышенное количество никеля (до 25 %) и марганца. Примеры: 12Х18Н10Т, 03Х20Н16АГ6. Применяются в криогенной технике, для изготовления резервуаров для сжиженных газов (кислород, азот, водород).