Как увидеть аустенит?

Как известно, аустенит является твердым раствором углерода в -железе и расположен на диаграмме состояния железо-углерод (рис.1,а) выше 727⁰С (температура перлитного превращения). Поэтому при комнатной температуре увидеть настоящий аустенит невозможно. Можно увидеть аустенит в высокотемпературном микроскопе при нагреве.

При комнатной температуре мы обычно можем увидеть аустенит в легированной стали. В этих сталях много легирующих элементов (кроме углерода), поэтому аустенит в них существует при комнатной температуре. Это, например, нержавеющая сталь (рис.1,б).

а	б

Рисунок 1. Фрагмент диаграммы состояния железо-углерод (а) и структура аустенита (б) (съемка через зеленый фильтр.).

Можно наблюдать остаточный аустенит после закалки, если в стали содержится больше 0,6% углерода. Как он формируется? Известно, что мартенситное превращение при закалке происходит с увеличением объема, т.е. мартенсит занимает больший объем, чем исходный аустенит. Поэтому, чем дальше идет мартенситное превращение, тем больше сжимается тот аустенит, который еще не превратился в мартенсит. Известно, что аустенит стабилизируется пластической деформацией, т.е. чем больше его сжать, тем хуже он будет превращаться в мартенсит. В какой-то момент превращение вообще остановится, а аустенит останется в стали в «зажатом» виде. Это будут отдельные включения, расположенные случайно. На рис.2 аустенит виден в виде белых включений на фоне мартенсита.

Рисунок 2. Остаточный аустенит в стали после закалки.

Можно ли создать в обычной стали структуру с большим количеством остаточного аустенита? Вероятно, если сжать определенный участок металла при закалке «целенаправленно», то можно создать большую зону с остаточным аустенитом. Такое возможно в процессе плазменной резки, когда поток плазмы расплавляет металл в зоне реза (рис.3).

Рисунок 3. Процесс плазменной резки. (http://novator-grp.ru/rus/projects/Hypertherm/ ; Дата доступа – 25.04.2014)

В процессе резки поверхность реза нагревается. Можно представить себе, как распределится температура в зависимости от расстояния до линии реза (рис.4). Поверхность реза нагревается до температуры, достаточной для поверхностной закалки. Это зона 1. Зона 2 нагреется, очевидно, до температуры выше, чем 727⁰С. Охлаждаться она будет не так быстро, как зона 1. В этой зоне закалки не произойдет, но структура изменится Зона 3 останется без существенных изменений, так как нагреется до температуры ниже 727⁰С.

Рисунок 4. Схема расположения структурных зон при плазменной резке.

Действительно, на поверхности шлифа (после травления реактивом 4% азотной кислоты в этиловом спирте) выявляется слой изменившейся структуры (рис.5).

Рисунок 5. Структура стали вблизи линии плазменного реза.

На поверхности имеется зона (1) толщиной порядка 50-100 мкм. Это зона закалки со структурой мартенсита. После нее следует зона с двухфазной структурой (2). Толщина зоны составляет порядка 250 мкм. В данной зоне однозначно присутствует феррит (α-Fe), который является матрицей материала (был до обработки плазмой). И есть еще светлые, достаточно крупные, участки структуры с четкими границами. Итак, что может быть белым в структуре стали при травлении традиционным реактивом? Аустенит, феррит, цементит. Как их разделить? Можно измерить твердость.
В зоне 1 твердость колеблется в пределах 3000-3500 ГПа. Такую твердость имеет троостит или мартенсит отпуска. Микротвердость во второй зоне составляет 2254 ГПа, что соответствует ферриту. Известно, что твердость аустенита в 2-2,5 раза выше, чем феррита, твердость цементита превышает твердость феррита приблизительно в 10 раз. Поэтому светлой фазой может быть только аустенит.
Рентгеноструктурный анализ это подтвердил. Обнаружено Fe_γ - остаточный аустенит.
Главное! Поскольку процесс изменения структуры начался с поверхности, где шла закалка, формирующийся мартенсит сдавил зону 2 и не дал аустениту превратиться до конца. Превращение «застряло» в области GPS диаграммы состояния железо-углерод на этапе превращения аустенита в феррит.
На рис. 6 показана зона 2 при большом увеличении. Светлая фаза – аустенит, более темная – феррит.

Рисунок 6. Структура стали в зоне 2.