آستنیت

نمودار فازی تعادلی آهن-کاربید آهن

آستنیت یا آهن گاما  یک آلوتروپ فلزی و غیر مغناطیسی از آهن یا یک محلول جامد از آهن و یک ماده آلیاژی دیگر است. در فولادهای کربنی آستنیت در بالای نقطه یوتکتوئید که دارای دمای 727 درجه سانتی‌گراد است،یافت می‌شود.

سایر آلیاژهای فولادی دماهای یوتکتوئید متفاوتی دارند.آلوتروپ آستنیت در دمای اتاق در فولاد ضدزنگ یافت می‌شود. این آلوتروپ به‌افتخار سر ویلیام کندلر آستن، آستنیت نام‌گذاری شده است.

آلوتروپ آهن

از 912 درجه سانتی‌گراد تا 1394 آهن آلفا دچار یک استحاله فازی از ساختار BCC به ساختار کریستالی FCC  (آهن گاما) می‌شود که نام دیگرش آستنیت است. این آهن نیز به‌طور مشابه،نرم و شکل‌پذیر است اما قابلیت حل کردن کربن به‌مراتب بیشتری در خود را داراست.(در حد 2.03 درصد جرمی در دمای 1146 درجه سانتی‌گراد)

آهن گاما به‌طور گسترده در فولادهای ضدزنگ مورداستفاده صنایع غذایی و بیمارستانی کاربرد دارد.

آستنیتی کردن

آستنیتی کردن به معنای حرارت دادن آهن یا آلیاژهای پایه آهن تا رسیدن به دمای تغییر ساختار کریستالی از فریت به آستنیت می‌باشد.

در این دما ساختار کریستالی بازتر آستنیت قابلیت جذب کربن از کربیدآهن در فولاد را دارد.

یک فرآیند ناقص آستنیتی کردن باعث می‌شود مقداری کربید حل‌نشده در ساختار رسوب کند.

برای بعضی از آهن‌ها،آلیاژهای پایه آهن و فولادها، کربید ممکن است در مرحله آستنیتی کردن ظاهر شود که به آن آستنیتی کردن دوفازی میگویند.

آس‌پخت

آس‌پخت یا austempering یک فرآیند سخت سازی است که برای بهبود خواص مکانیکی فلزهای پایه آهن مورداستفاده قرار می‌گیرد.

بدین‌صورت که فلز حرارت داده می‌شود تا به ناحیه سمانتیت در دیاگرام فازی برسد و سپس در یک محفظه نمک یا سایر مواد خنک‌کننده قرار می‌گیرد تا دمایش به 300 تا 375 برسد.

فلز در این محدوده دمایی باز پخت(annealing)  می‌شود تا درنهایت آستنیت تبدیل به بی­نایت یا آسفریت(فریت بی نایتی+ آستنیت پرکربن) شود.

با تغییر دمای آستنیتی کردن، فرآیند آس­پخت می‌تواند ریزساختارهای متفاوت و دلخواه را فراهم کند.

اگر فرآیند آستنیتی کردن در دمای بالا انجام شود، محصول فرآیند یک آستنیت پرکربن خواهد بود.به‌طور مشابه با انجام فرآیند در دماهای پایین‌تر شاهد توزیع یکنواخت­تری از ساختار آس­پخت شده خواهیم بود.

همچنین می‌توان درصد کربن در آستنیت را به‌صورت تابعی از زمان فرآیند آس­پخت به دست آورد.

رفتار در فولاد کربنی ساده

هنگامی‌که آستنیت سرد می‌شود، کربن از آستنیت به بیرون نفوذ می‌کند و آهن-کربید پرکربن را تشکیل می‌دهد و فریت کم‌کربن برجا میماند.

بسته به ترکیبات آلیاژ، لایه‌های فریت و سمانتیت که پرلیت نامیده می‌شود تشکیل می‌شود.

اگر نرخ سرد کردن بسیار سریع باشد، کربن زمان کافی برای نفوذ نخواهد داشت و آلیاژ دچار یک استحاله شدید در ساختار کریستالی می‌شود که به آن استحاله مارتنزیتی نیز گفته می‌شود که در آن آستنیت تبدیل به مارتنزیت  می‌شود که دارای ساختار کریستالی body centered tetragonal (BCT) است.

این فرآیند از اهمیت بالایی برخوردار است. ازآنجاکه به دلیل سرعت زیاد سرد کردن، کربن زمان کافی برای نفوذ را ندارد، درنتیجه کربن محصورشده و در دام می‌افتد و مارتنزیت که بسیار سخت است تشکیل می‌شود.

سرعت سرد کردن درصد فریت،مارتنزیت و سمانتیت را معین می‌کند و نتیجتاً خواص مکانیکی فولاد ازجمله سختی و استحکام کششی نیز به‌سرعت سرد کردن بستگی دارند.

سریع سرد کردن قسمت‌های باریک باعث ایجاد یک افت حرارتی ناگهانی در ماده می‌شود.

لایه‌های بیرونی‌تر قسمت عملیات حرارتی شده سریع‌تر سرد شده و بیشتر منقبض می‌گردند، که باعث ایجاد تنش کششی و کرنش حرارتی می‌شود.

در سرد کردن‌های سریع،فولاد دچار استحاله از آستنیت به مارتنزیت می‌شود که بسیار سخت‌تر است و با کرنش‌های به‌مراتب کمتری شاهد جوانه زایی ترک خواهیم بود. تغییر حجم(مارتنزیت چگالی کمتری از آستنیت دارد) نیز که می‌تواند باعث ایجاد تنش شود به همین شکل است.

تفاوت نرخ کرنش در لایه‌های درونی و بیرونی می‌تواند باعث ایجاد ترک در قسمت بیرونی شود، که می‌توان با آهسته سرد کردن مذاب از این پدیده اجتناب کرد.

با افزودن تنگستن به آلیاژ، سرعت نفوذ کربن کند شده و استحاله به BCT  در دماهای پایین‌تری رخ می‌دهد و همین‌طور ترک نیز تشکیل نمی‌شود.

اصطلاحاً گفته می‌شود که سختی‌پذیری چنین ماده‌ای افزایش‌یافته است.

برگشت دادن( یا تمپر کردن) پس از کوئنچ کردن باعث تبدیل مارتنزیت ترد به مارتنزیت تمپر شده می‌شود.

اگر یک فولاد با سختی‌پذیری کم کوئنچ شود، مقدار قابل‌توجهی آستنیت در ریزساختار حفظ می‌شود که باعث ایجاد تنش درونی و درنتیجه شکست ناگهانی قطعه می‌شود.

رفتار در چدن

حرارت دادن چدن سفید تا بیش از 727 درجه سانتی‌گراد باعث تشکیل آستنیت در کریستال‌های سمانتیت اولیه می‌شود.

آستنیتی شدن آهن سفید در مرز فازهای سمانتیت اولیه و فریت اتفاق می‌افتد.

هنگامی‌که دانه‌های آستنیت در سمانتیت ایجاد می‌شود، به‌صورت خوشه‌های لاملار در لایه سطحی کریستال‌های سمانتیت پخش می‌شود.

هنگامی‌که اتم‌های کربن از فاز سمانتیت به فریت نفوذ می‌کنند، آستنیت تشکیل می‌شود.

پایدارسازی

افزودن عناصر آلیاژی خاصی ازجمله منگنز و نیکل باعث پایدار شدن ساختار آستنیت و آسان­سازی عملیات حرارتی بر روی فولادهای آلیاژی می‌شود.

در یک فولاد به‌شدت آستنیتی، مقدار بسیار بیشتری عناصر آلیاژی لازم است تا آستنیت در دمای اتاق پایدار شود. از طرف دیگر، افزودن عناصری مانند سیلیکون، مولیبدن و کروم باعث ناپایدار شدن آستنیت  و افزایش دمای یوتکتوئید می‌شود.

آستنیت تنها در دماهای بالاتر از 910°C  پایدار می‌شود.

 بااین‌حال، فلزات دارای گذار FCC می‌توانند بر روی ساختار FCC  یا ساختار مکعبی الماسی رشد کنند. رشد برآرایی گونه‌ی بر روی صفحه (100) ساختار مکعبی الماسی به دلیل ساختار کریستالی نزدیک آن به FCC  و تقارن صفحه (100) ساختار الماسی با FCC  است امکان‌پذیر است.

به دلیل بیشتر بودن ضخامت بحرانی یک آهن چندلایه از آهن تک لایه، احتمال رشد بیش از یک تک لایه از آهن گاما      وجود دارد.

ضخامت بحرانی به‌دست‌آمده از آزمایش با پیش‌بینی‌های نظری همخوانی کامل دارد.

استحاله آستنیت و نقطه کوری

نقطه کوری،دمایی است که در بالاتر از آن، ماده خاصیت مغناطیسی‌اش ر از دست می‌دهد.

در بسیاری از آلیاژهای مغناطیسی آهن، نقطه کوری، به دمای استحاله آستنیت نزدیک است.

این ویژگی مربوط به خاصیت پارامغناطیسی آستنیت است؛ درحالی‌که مارتنزیت و فریت به‌شدت دارای خاصیت فرو مغناطیسی هستند.

انتشار گرما و نور

در طول عملیات حرارتی، آهنگران با ایجاد استحاله‌های فازی در سیستم آهن-کربن در پی کنترل کردن خواص مکانیکی مواد هستند. آنان به‌کرات از فرآیندهای آنیل کردن، کوئنچ کردن و تمپر کردن استفاده می‌کنند.

در این زمینه، رنگ نور یا تابش جسم سیاه که از جسم منتشر می‌شود معیار تقریبی‌ای از دما است.

در بسیاری از موارد، دما به‌وسیله‌ی دمای رنگ قطعه سنجیده می‌شود. با تبدیل رنگ قرمز گیلاسی پررنگ به نارنجی(815 به 871 درجه) که متناظر با دمای تشکیل آستنیت در فولادهای دارای کربن متوسط و زیاد است. در طیف نوری مرئی، با افزایش دما این درخشش بیشتر می‌شود، و هنگامی‌که قطعه به رنگ قرمز گیلاسی است، این درخشش به‌شدت کاهش می‌یابد به‌گونه‌ای که ممکن است در نور محیط قابل‌مشاهده نباشد.بنابراین آهنگران معمولاً فرآیند آستنیتی کردن فولاد را در محیطی با نور کم انجام می‌دهند تا بتوانند به‌دقت رنگ قطعه را مشاهده کنند.