Austeniitti

rautaseosten faaseja

• Austeniitti (γ-rauta; pkk-hila)
• Bainiitti
• Martensiitti
• Sementiitti (rautakarbidi; Fe₃C)
• α-ferriitti syntyy austeniitista ( tkk-hila)
• δ-ferriitti jähmettyy sulasta ( tkk-hila)
• Perliitti (eutektikumi α Fe₃C)

Terästyyppejä

• Hiiliteräs (max 2,1 % hiiltä)
• Ruostumaton teräs (sis. kromia vähintään 10,5 %)
• HSLA-teräs (korkea lujuus, niukka seostus)
• Työkaluteräkset (suuri lujuus; karkaistuja)

Muut rautapohjaiset seokset

• Valurauta (>2,1 % hiiltä)
• Kankirauta (alh. hiilipitoisuus)

Rauta-hiili tasapainopiirros

Austeniitti on metallinen, ei-magneettinen raudan allotrooppi tai raudan ja seosaineen liuos, jolla on pintakeskinen kuutiollinen kiderakenne. Seostamattomassa hiiliteräksessä austeniitti esiintyy eutektoidisen lämpötilan eli noin 1 000 K:n tai 727 °C yläpuolella. Eri seosaineet muuttavat teräksen eutektoidista lämpötilaa. Austeniitti on nimetty Sir William Chandler Roberts-Austenin mukaan (1843–1902).

Raudan allotropia

912 ja 1 394 °C välillä α- (alfa)-raudassa tapahtuu faasimuutos, jolloin se muuttuu γ- (gamma)-raudaksi, joka tunnetaan myös nimellä austeniitti. Sillä on α-rautaan nähden muutoin samankaltaiset ominaisuudet, mutta α-raudalla on tilakeskinen kuutiollinen (tkk), γ-raudalla eli austeniitilla pintakeskinen kuutiollinen kiderakenne. Austeniitti on pehmeää ja taipuisaa, mutta pystyy liuottamaan huomattavasti enemmän hiiltä (2,04 massaprosenttia 1 146 °C).

Austenointi

Austenoinnilla tarkoitetaan raudan, rautapohjaisen metallin tai teräksen kuumentamista niin, että sen kiderakenne muuttuu ferriitistä austeniitiksi. Epätäydellinen austenointi voi jättää liukenemattomia karbideja aineen matriisiin. Joissakin rautalaaduissa, rautapohjaisissa metalleissa ja teräksissä karbideja saattaa esiintyä tai olla läsnä austenoinnissa. Yleinen termi tälle on kaksivaiheinen austenointi.

Bainiittikarkaisu

Bainiittikarkaisua (engl. austempering) käytetään rautapohjaisten metallien mekaanisten ominaisuuksien parantamiseen. Metalli kuumennetaan rauta-sementiitti-faasidiagrammissa austeniittialueelle ja päästetään suola-altaassa tai jäähdytysaineessa, joka on lämpötilaltaan 300–375 °C. Metallia lämpökäsitellään mainituilla lämpötilarajoilla, kunnes austeniitti on muuttunut bainiitiksi tai ausferriitiksi (bainiittinen ferriitti korkeahiilinen austeniitti). Muuttamalla austenoinnin lämpötilaa, prosessi voi tuottaa erilaisia haluttuja mikrorakenteita. Korkeampi austenointilämpötila voi tuottaa korkeamman hiilipitoisuuden austeniitissa, kun taas alempi lämpötila tuottaa tasaisemmin jakautuneen bainiittirakenteen. Hiilipitoisuus austeniitissa muuttuu austenointiajan funktiona.

Käyttäytyminen seostamattomassa hiiliteräksessä

Kun austeniitti jäähtyy, se usein muuttuu ferriitin ja sementiitin sekoitukseksi kun hiili diffusoituu. Perliittiä saattaa syntyä, riippuen seoksesta ja jäähdytysnopeudesta. Jos jäähdytysnopeus on riittävän suuri, ferriittiä ja sementiittia ei muodostu, vaan sen sijaan seoksessa saattaa tapahtua suuria hilavääristymiä, jotka tunnetaan martensiittisena reaktiona. Tässä teollisesti tärkeässä reaktiossa estetään hiilen diffuusio suuren jäähdytysnopeuden johdosta ja seurauksena on tkk-rakenne. Tuloksena on kovaa martensiittia. Jäähdytysnopeus määrää faasien suhteelliset osuudet ja siten teräksen mekaaniset ominaisuudet kuten kovuuden ja murtolujuuden. Sammutusta seuraava päästö tai myöstö muuttavat osan hauraasta martensiitista päästömartensiitiksi. Jos huonosti karkenevaa terästä sammutetaan, merkittävä osa austeniitista säilyy mikrorakenteessa.

Käyttäytyminen valuraudassa

Hypereutektisen valuraudan kuumentaminen yli 730 °C aiheuttaa austeniitin muodostumisen primäärisen sementiitin kristalleihin. Valkoisessa raudassa austeniittia muodostuu primäärisen sementiitin ja ferriitin rajapinnassa. Kun austeniitti ydintyy sementiitissä, ne esiintyvät lamelliryppäinä, jotka suuntautuvat sementiittikristallin pinnan suuntaisesti. Austeniittia syntyy kun sementiitistä siirtyy hiiltä ferriittiin.

Austeniitin stabilointi

Tiettyjen seosaineiden kuten mangaanin tai nikkelin lisääminen stabiloi austeniittista rakennetta helpottaen niukkaseosteisten terästen lämpökäsittelyä. Ääritapauksessa, kuten austeniittisessa ruostumattomassa teräksessä paljon suurempi seosainepitoisuus tekee rakenteesta vakaan jopa huoneenlämmössä. Toisaalta eräät seosaineet kuten pii, molybdeeni ja kromi tekevät austeniitin epävakaammaksi nostaen eutektoidista lämpötilaa.

Austeniitti on bulkkinametallina stabiilia ainoastaan yli 910 °C:n lämpötilassa. Kuitenkin pintakeskiskisen kuutiollisen (pkk) tai timanttikuutiollisen perusaineen käyttö mahdollistaa pkk-rakenteisten siirtymämetallien epitaksiaalisen kasvun. Austeniitin epitaksiaalinen kasvu timantin (100) sivulla on mahdollista, koska lähekkäiset hilat täsmäävät ja timantin (100) sivulla on pkk-rakenne. Useamman kuin yhden molekyylin paksuinen kerros austeniittia voidaan kasvattaa, koska kriittinen paksuus jännitetyssä monikerroksessa on määritelty ja se täsmää teorian kanssa.

Austeniitin muodostuminen ja Curie-piste

Monilla magneettisilla aineilla Curie-piste eli lämpötila, jossa magneettinen materiaali lakkaa olemasta magneettinen on lähes sama kuin lämpötila, jossa aine muuttuu austeniittimuotoon. Austeniitti on paramagneettista, kun taas martensiitti ja ferriitti ovat voimakkaasti ferromagneettisia.

Lämpöoptinen emissio

Seppä luo faasimuutoksia rauta-hiili systeemiin, jotta hän voi hallita materiaalin mekaanisia ominaisuuksia. Usein hän käyttää lämpökäsittelyä kuten hehkutusta, sammutusta ja päästöä tai myöstöä. Kuuman metallin lämpötila voidaan likipitäen päätellä sen lähettämän hehkuvalon väristä. Austeniitin syntyessä keski- tai runsashiilisessä teräksessä kappaleen väri muuttuu punaisesta oranssiksi.

Hiiltä liukenee austeniittiin maksimissaan 2,03 massaprosenttia 1 420 K:n lämpötilassa (1 147 °C)