Austenitt

Hva er austenitt?

Austenitt kalles også gammajern (γ-jern) og er en viktig krystallisk fase av jern og stål, der krystallstrukturen er kubisk flatesentrert (FCC). Denne fasen dannes når stål varmes opp til en temperatur over den kritiske austenitt-temperaturen, også kalt omvandlingstemperaturen.

Stål som er i austenittfasen, er kjent for å være mykt, og det er lett formbart ved høye temperaturer. Selv om austenitt alene ikke nødvendigvis har optimale mekaniske egenskaper, utgjør det grunnlaget for omdanning til andre faser som martensitt og perlitt gjennom herding og anløping (herdetemperering).

Struktur

At austenitt har en kubisk ansikts-sentrert krystallstruktur, betyr at jernatomene er plassert i hvert hjørne av kuben og på midten av hver flate. Denne strukturen gjør at austenitt kan binde seg til flere karbonatomer enn andre krystallstrukturer av jern, noe som er viktig for dannelsen av andre ståltyper og strukturer.

Hvordan dannes austenitt?

Austenitt dannes altså når stål oppvarmes til en temperatur over den kritisk temperaturen, kjent som austenitt-temperatur eller omvandlingstemperatur. For karbonstål ligger denne temperaturen vanligvis mellom 723 °C og 912 °C, avhengig av karboninnholdet.

Ved disse høye temperaturene tillater austenittstrukturen diffusjon (spredning) av karbonatomer, noe som er nødvendig for å omdanne stål til andre faser som martensitt og perlitt under avkjølingsprosessen.

Det er viktig å påpeke at det finnes eksempler på metallegeringer som beholder austenittstruktur også i romtemperatur. Eksempler på dette er rustfritt stål (som SAE-304 og SAE-316), som inneholder store mengder krom (Cr) og nikkel (Ni). Det samme gjelder jernlegeringer med stort manganinnhold (over 10 prosent mangan) samt jernlegeringer som inneholder nikkel, eksempelvis Inconel og Hastelloy.

Dannelse av austenitt

Fasediagram og temperatur

Fasediagrammet for jern–karbon(Fe–C)-legeringer

Austenitt dannes når jern–karbon-legeringa varmes opp til et bestemt temperaturintervall, typisk mellom 727 °C og 1495 °C for karbonstål. Dette området ligger mellom eutektisk og peritektisk temperatur.

Eutektisk temperatur er den temperaturen der en eutektisk reaksjon oppstår. Dette er en transformasjon der en væske av ei bestemt sammensetning samtidig krystalliserer til to (eller flere) faste faser ved en bestemt temperatur og sammensetning. Dette skjer uten at det går gjennom en mellomfase.

Peritektisk temperatur er den temperaturen det en peritektisk reaksjon finner sted. En peritektisk reaksjon involverer ei omvandling der en væske og en fast fase kombineres for å danne en annen fast fase.

Eutektoidpunktet (omvandlingstemperaturen) for reint jern er 727 °C, der ferritt (α-jern) og sementitt (Fe3C) transformeres til austenitt (γ-jern).

Oppvarming og transformasjon

Når stål varmes opp til over 727 °C, begynner ferritt og sementitt å transformere til austenitt. Denne prosessen kalles austenisering.

Ved austenisering forvandles ferrittens romsentrerte kubiske (BCC) struktur til austenittens flatesentrerte kubiske (FCC) struktur.

Mikroskopiske endringer

Atomær omorganisering

Ved oppvarming får atomene i stålet nok energi til å bryte sine nåværende bindinger og omorganisere seg fra BCC- til FCC-struktur. Denne omorganiseringa tillater flere karbonatomer å løses i jernet, siden FCC-strukturen har flere og større interstitielle (mellomliggende) plasser enn BCC-strukturen.

Oppløsning av sementitt

Sementitt, som har et høyere karboninnhold, begynner å løses opp når temperaturen stiger over eutektoidpunktet. Karbonatomene som frigjøres fra sementitten, diffunderer inn i austenittstrukturen.

Kjemisk sammensetning og legeringselementer

Kjemisk sammensetning

Mengden karbon i legeringa påvirker direkte dannelsen av austenitt. For eksempel skjer austenisering ved lavere temperaturer i karbonstål med lavt karboninnhold enn i høykarbonstål.

Legeringselementer

Legeringselementer som nikkel, mangan og krom kan stabilisere austenitt ved lavere temperaturer. Disse elementene utvider austenittens stabilitetsområde og kan senke temperaturgrensa der austenitt dannes.

Andre elementer, som silisium og molybden, kan påvirke kinetikken til austenittdannelse ved å endre diffusjonshastigheten (spredningshastigheten) til karbon og andre atomer i legeringa.

Noen vanlige legeringselementer inkluderer de følgende:

Nikkel (Ni)

stabiliserer austenitt og utvider temperaturintervallet hvor austenitt er stabil.

Mangan (Mn)

er også en austenittstabilisator, ofte brukt i kombinasjon med karbon.

Krom (Cr)

kan stabilisere ferritt, men i kombinasjon med nikkel og karbon kan det også bidra til stabilisering av austenitt.

Karbon (C)

øker hardheten og styrken til austenitt ved å løse seg inn i FCC-strukturen.

Fordeler

Formbarhet

Austenitt er myk og lett å bearbeide ved høye temperaturer. Dette gjør det mulig å forme stål til ulike komponenter uten å bruke for mye kraft.

Karbonatomintegrasjon

Den kubiske flate-sentrerte strukturen (FCC) tillater karbonatomer å spre seg fritt (diffundere), noe som er nødvendig for å danne andre krystallstrukturer med ønskede mekaniske egenskaper.

Grunnlag for transformasjon

Austenitt er essensiell i herdeprosessen, der stål varmes opp til austenittfasen og deretter raskt avkjøles for å danne martensitt, en struktur som gir stålet økt hardhet og styrke.

Austenittisk rustfritt stål er svært motstandsdyktig mot korrosjon.

Ulemper

Mekaniske egenskaper

Austenitt alene har ikke nødvendigvis ønskede mekaniske egenskaper for mange bruksområder. Den er relativt myk og kan ikke oppnå den høye styrken og hardheten som kreves i mange industrielle gjenstander uten videre behandling.

Stabilitet

Austenitt er med noen unntak kun stabil ved høye temperaturer. Ved romtemperatur vil den omdannes til andre faser som ferritt eller perlitt, med mindre den stabiliseres av legeringselementer som nikkel eller mangan.