Austenit, roztwór stały węgla w γ-żelazie, zawierający nie więcej niż 1,7% węgla. Występuje w zakresie temperatur 710-1535^οC. Składnik stopowy stali i stopowych żeliw. Jest paramagnetyczny, plastyczny, ma twardość ok. 200 HB.

Austenit - roztwór stały węgla w żelazie gamma (γ-Fe, odmiana alotropowa żelaza), jedna z faz, występujących w strukturze stali i żeliw stopowych. Jest plastycznym paramagnetykiem o twardości ok. 200 HB. Jego nazwa pochodzi od nazwiska angielskiego metalurga Williama Ch. Robertsa-Austena.

Rodzaje austenitu:

1) austenit pierwszorzędowy, pierwotny, wydzielajacy się ze stopu przed rozpoczęciem przemiany eutektycznej,

2) austenit przechłodzony, który nie uległ rozkładowi w wyniku szybkiego chłodzenia od temperatury austenityzacji do temperatury przemiany eutektoidalnej, zazwyczaj nietrwały, zmienia się w perlit, bainit lub martenzyt,

3) austenit szczątkowy, który nie uległ przemianie w martenzyt w trakcie oziębiania stali austenitycznej, nagrzanej uprzednio do temperatury austenityzowania.

Graniczne temperatury trwałości austenitu (roztworów węgla w γ-Fe) wynoszą:

• maksymalna: 1493 °C (0,17%C, temperatura przemiany perytektycznej; austenit → ferryt + ciecz)

• minimalna: 727 °C (0,76%C, eutektoid zwany perlitem; austenit → ferryt + cementyt)

Ogrzewanie austenitu zawierającego:

• mniej niż 0,17%C prowadzi do osiągnięcia dolnej granicy dwufazowego obszaru współistnienia austenitu z ferrytem (w temperaturze zależnej od zawartości węgla) i rozpoczęcia przemiany w ferryt, a następnie w ferryt i ciecz (temperatura 1493 °C do chwili zaniku austenitu)

• więcej niż 0,17%C lecz mniej niż 0,53%C prowadzi do osiągnięcia dolnej granicy dwufazowego obszaru współistnienia austenitu z cieczą (temperatura zależna od zawartości węgla) i rozpoczęcia topnienia, a następnie, w temperaturze 1493 °C, do przemiany reszty austenitu w ferryt i ciecz

• więcej niż 0,53%C prowadzi do osiągnięcia dolnej granicy dwufazowego obszaru współistnienia austenitu z cieczą (temperatura zależna od zawartości węgla) i rozpoczęcia topnienia, które kończy się na linii likwidus

Chłodzenie austenitu zawierającego:

• mniej niż 0,76%C (stal podeutektoidalna) prowadzi do rozpoczęcia przemiany alotropowej w ferryt (w temperaturze zależnej od składu), a po osiągnięciu temperatury 727 °C - do rozpadu reszty austenitu na dwie fazy stałe: ferryt i cementyt (drobnoziarnista mieszanina zwana perlitem)

• więcej niż 0,76%C (stal nadeutektoidalna) prowadzi do stanu nasycenia węglem (w temperaturze zależnej od składu) i rozpoczęcia krystalizacji fazy bogatszej w węgiel - cementytu (Fe₃C), a po osiągnięciu temperatury 727 °C - do rozpadu reszty austenitu na dwie fazy stałe: ferryt i cementyt (perlit, naprzemianległe płytki α-Fe(C) i Fe₃C)

Fragment wykresu fazowego układu żelazo-węgiel z zaznaczonymi obszarami jednofazowymi: dwa roztwory stałe (austenit i ferryt) oraz ciecz
Po prawej stronie wykresu obszarowi jednofazowemu odpowiada linia prosta (granica pola wykresu), ponieważ węgiel nie rozpuszcza się w Fe₃C (skład wszystkich ziaren cementytu jest niemal jednakowy). Pomiędzy obszarami jednofazowymi mieszczą się obszary współistnienia dwóch faz, występujących w równowadze w ilościach zgodnych z regułą dźwigni
Żelazo gamma (γ-Fe, sieć krystaliczna regularna ściennie centrowana, rsc) jest trwałe w zakresie temperatur 912 °C - 1394 °C. W granicznych temperaturach tego przedziału ulega przemianie alotropowej w żelazo alfa (α-Fe, sieć regularna przestrzennie centrowana, rpc). W obecności węgla przedział termodynamicznej trwałości odmiany γ-Fe rozszerza się. Jest to związane z wielkościami luk oktaedrycznych, czyli przestrzeni międzywęzłowych, w których lokują się atomy węgla. W przypadku sieci rsc luki są większe, co zwiększa trwałość roztworu węgla w γ-Fe w stosunku do roztworów w sieci α-Fe (ferryt).
Rozpuszczalność węgla w γ-Fe jest największa w temperaturze 1147 °C, w której osiąga 2,14%C.

Przemiany nierównowagowe

Wykres CTPi stali niestopowej (fragment)

W warunkach szybkiego chłodzenia austenitu jego przemiany w ferryt, cementyt i perlit zaczynają się z opóźnieniem lub nie zachodzą - dyfuzja węgla w sieci żelaza jest zbyt wolna, aby było możliwe osiągnięcie stanu równowagi.
W wyniku obróbki cieplnej, polegającej na szybkim chłodzeniu, powstają ziarna silnie zdefektowanych kryształów przesyconego austenitu albo struktury dwufazowe: bainit i sorbit (przesycony ferryt i drobne ziarna cementytu). W wyniku chłodzenia z szybkością większą od szybkości krytycznej w strukturze silnie przesyconego austenitu dochodzi do uporządkowania nadmiarowego węgla w warstwach, z czym wiąże się lokalna zmiana elementów symetrii komórek elementarnych sieci krystalicznej (martenzyt). Zależność struktury stopu żelaza z węglem o określonym składzie przedstawia się na wykresach CTP, sporządzanych na podstawie „krzywych chłodzenia”, rejestrowanych w warunkach izotermicznych (CTPi) lub w warunkach zapewniających stałą szybkość zmiany temperatury (CTPc).

Austenit stopowy

Wpływ dodatku chromu na zakres trwałości α-Fe i γ-Fe

Dodatki stopowe, które tworzą roztwory stałe w sieci austenitu, wpływają na zakres jego termodynamicznej trwałości oraz wielkość i kształt ziaren powstających faz. Niektóre dodatki (np. Ni, Mn, Co) rozszerzają lub otwierają obszar trwałości austenitu, inne (np. Cr, W, Mo, V, Ti) zmniejszają ten zakres.

Cementyt (węglik żelaza, Fe₃C lub Fe₂C:Fe) - jedna z podstawowych faz międzymetalicznych z grupy węglików, występującą w stopach żelaza z węglem i innymi pierwiastkami. Cementyt jest jednym ze składników stali; jest materiałem twardym i kruchym, ma strukturę krystaliczną rombową, jego twardość to około 65 HRC (800 HB), jest fazą metastabilną o zawartości węgla 6,67%. Liczne wiązania metaliczne sprawiają, że ma właściwości metaliczne.

W zależności od zawartości węgla i warunków krystalizacji rozróżnia się:

• cementyt pierwotny, wydzielający się przy krzepnięciu stopów o zawartości 4,3-6,67% węgla z roztworu ciekłego ubożejącego w węgiel, w postaci grubych igieł

• cementyt wtórny, wydzielający się z austenitu wskutek obniżania się w nim rozpuszczalności węgla. Cementyt wtórny może wydzielać się w postaci igieł, siatki na granicach ziaren perlitu oraz jest jego składnikiem.

• cementyt trzeciorzędowy, wydzielający się z ferrytu na skutek obniżania się w nim rozpuszczalności węgla wraz ze spadkiem temperatury.

Cementyt jest odporny na działanie czynników chemicznych, trudno trawi się nitalem (Mi1Fe). Dla ujawnienia cementytu w stopach żelaza stosuje się trawienie na gorąco pikrynianem sodu (Mi6Fe), który barwi cementyt na brunatno lub czarno.

Cementyt, czyli węglik żelaza jest fazą międzymetaliczną o złożonej strukturze, krystalizującą w układzie rombowym. Stosunek liczby atomów żelaza do atomów węgla wynosi 3:1 (Fe3C), co odpowiada wagowej zawartości węgla 6,67%. W temperaturze do 210°C cementyt jest ferromagnetyczny, powyżej tej temperatury — paramagnetyczny. Gęstość cementytu wynosi 6,9 g/cm3. Jest on fazą bardzo twardą (HB ok. 800) i bardzo kruchą.

Cementyt może tworzyć roztwory stałe różnowęzłowe, przy czym na miejsce atomów węgla mogą wchodzić do jego sieci atomy azotu, zaś na miejsce atomów żelaza — atomy takich metali, jak mangan, chrom, wolfram itd. Tak utworzone roztwory stale na osnowie sieci cementytu noszą nazwę cementytu stopowego.

Warto podkreślić, że zgodnie z układem równowagi żelazo-cementyt, w temperaturze otoczenia stopy żelaza z węglem do zawartości 0,008% C są jednofazowe (ferryt), natomiast wszystkie stopy o zawartości węgla od 0,008 do 6,67% składają się z dwóch faz: ferrytu i cementytu. Pomijając omówione już przemiany zachodzące w czystym żelazie oraz przemiany w czystym cementycie, w układzie żelazo-cementyt można wyróżnić następujące trzy podstawowe przemiany, zachodzące w stałych temperaturach:

przemiana eutektyczna: LC → γE + Fe3C,

przemiana perytektyczna: LB + αH → γJ

przemiana eutektoidalna: γS → αP + Fe3C.

Szczególnie duże znaczenie praktyczne ma przemiana eutektoidalna, na której opiera się

obróbka cieplna stali.

Ferryt jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w żelazie α. Oznacza się go bądź symbolem Feα(C), bądź krótko α. Graniczna zawartość węgla w ferrycie w stanie równowagi wynosi w temperaturze 20°C zaledwie 0,008% i wzrasta w temperaturze 723°C do 0,02%.
Natomiast ferryt wysokotemperaturowy może zawierać w temperaturze 1493°C do 0,1% C.
Własności fizyczne i mechaniczne ferrytu są zbliżone do własności żelaza α. Na przykład, twardość ferrytu wynosi ok. 80 HB, Rm - ok. 300 MPa, A10 - ok. 40%, KCU2 - ok. 180 J/cm2. Podobnie jak żelazo α, ferryt jest ferromagnetyczny do temperatury 768°C.

Ferryt - międzywęzłowy roztwór stały węgla w odmianie alotropowej α żelaza (α-Fe). Tworzy sieć krystaliczną typu sieci wewnętrznie centrowanej A2. Ferryt charakteryzuje niska zawartość węgla, w temperaturze pokojowej maksymalnie 0,008%, a w temperaturze początku przemiany austenitycznej (723 °C), 0,02%. W obecności węgla tworzy węglik żelaza Fe₃C - cementyt. Mieszanina ferrytu i cementytu nosi nazwę perlitu.
Wypolerowany przekrój ferrytu oglądany pod mikroskopem w powiększeniu 250x wykazuje strukturę ziarnistą o jasnoszarym kolorze. Węgiel w całości rozpuszczony jest w sieci krystalicznej żelaza i nie jest widoczny jako oddzielna faza. Ferryt jest materiałem miękkim i ciągliwym, mniej wytrzymałym i mniej twardym, ale bardziej plastycznym niż austenit. Jest ferromagnetykiem do temperatury Curie wynoszącej 768 °C, w której przechodzi w odmianę paramagnetyczną.

Właściwości mechaniczne

• Twardość w skali Brinella: 50-80 HB

• Wytrzymałość materiałów: R_m = 300 MPa

• Granica sprężystości: R_e(R_0,2) = 150 MPa

• Wydłużenie (wytężenie) - A₁₀ = ok. 40%

Perlit jest eutektoidalną mieszaniną dwóch faz: ferrytu i cementytu, zawierającą 0,8% węgla i

tworzącą się w temperaturze 723°C zgodnie z przemianą: γS → αP + Fe3C. Dla ścisłości należy dodać, że przy ochładzaniu perlitu od temperatury 723°C do temperatury otoczenia, z ferrytu zawartego w perlicie wydziela się jeszcze pewna ilość cementytu trzeciorzędowego (zazwyczaj pomijanego z powodu nieznacznej jego ilości). Perlit obserwowany pod dostatecznie dużym powiększeniem charakteryzuje się budową pasemkową, gdyż składa się z płytek ferrytu i cementytu ułożonych na przemian. Odległości między płytkami zmniejszają się ze wzrostem szybkości chłodzenia i jednocześnie następuje wzrost twardości struktury.

Pod mikroskopem, po wytrawieniu zgładu, ziarno perlitu1 jest ciemne, jakkolwiek obydwa

składniki perlitu - ferryt i cementyt obserwowane oddzielnie mają jasne zabarwienie. Ciemne

zabarwienie ziarna perlitu wiąże się z jego budową płytkową i sposobem oświetlenia próbki pod mikroskopem (obserwacja w świetle odbitym). Po wytrawieniu zgładu, bardziej odporne

chemicznie płytki cementytu wystają ponad płytki ferrytu, a strumień świetlny padający na taką powierzchnię ulega częściowemu rozproszeniu. W wyniku tego oglądane pod mikroskopem ziarno perlitu ma zabarwienie ciemne. Własności mechaniczne perlitu wynoszą w przybliżeniu:

HB = 220 ÷ 260,

Rm =700 ÷ 800 MPa, A10 ~ 7% i KCU2 = 40 J/cm

Dodatek składników stopowych na ogół przesuwa punkt eutektoidalny w kierunku mniejszych zawartości węgla, obniża lub podwyższa temperaturę przemiany eutektoidalnej oraz wpływa na wzrost własności wytrzymałościowych.

Perlit - mieszanina eutektoidalna ferrytu z cementytem zawierająca 0,77% węgla.

Powstaje podczas przemiany eutektoidalnej w temperaturze 727 °C. Nazwę swą zawdzięcza perlistemu odcieniowi wypolerowanego przekroju perlitu. Ma budowę ziarnistą. Pojedyncze ziarno perlitu zbudowane jest z płytek (w przekroju widocznych jako linie) ferrytu i cementytu ułożonych na przemian. Stosunek grubości płytki ferrytu do grubości płytki cementytu wynosi 7:1. Przy odpowiednim powiększeniu mikroskopowym (zwykle x250 do x500) widoczna jest wewnętrzna struktura perlitu, przy czym jasnoszare linie reprezentują ferryt, podczas gdy ciemnoszare cementyt.

---