Der Einfluss der Austenitbildung auf die Stahleigenschaften

I. Austenitkorngröße: Der Kernfaktor für das "Festigkeit-Zähigkeit-Gleichgewicht" des Stahls

1. Auswirkungen auf Festigkeit und Härte

• Feinkörniger Austenit: Entsteht durch hohe Keimdichte (z. B. durch Kugelglühen oder Erhitzen bei niedriger Temperatur), wandelt sich nach dem Abschrecken in feinen nadelförmigen Martensit (oder feinen Perlit in kohlenstoffarmem Stahl) um. Die große Anzahl von Korngrenzen in feinem Martensit behindert effektiv die Bewegung von Versetzungen (Korngrenzen wirken als "Barrieren" für Versetzungen) und erhöht somit die Zugfestigkeit, Streckgrenze und Härte erheblich verbessert werden.
  Beispiel: Bei 45# Stahl (mittelkohlenstoffhaltiger Stahl), der einem "Erhitzen auf 850°C (50°C über Ac₃) + Wasserabschrecken" unterzogen wurde, sind die Austenitkörner fein (ungefähr Gütegrad 10), und der abgeschreckte Martensit ist ebenfalls fein, was zu einer Härte von HRC 55–58 führt. Wenn auf 1000°C erhitzt wird (Überhitzung), vergrößern sich die Austenitkörner (ungefähr Gütegrad 3–4), der abgeschreckte Martensit wird grob, und die Härte sinkt auf HRC 50–53.
• Grobkörniger Austenit: Übermäßig hohe Erhitzungstemperaturen oder lange Haltezeiten verursachen Kornvergröberung, was nach dem Abschrecken zu grobem lamellarem Martensit führt. Versetzungen neigen dazu, sich in grobem Martensit anzusammeln, und die Barrierewirkung der Korngrenzen schwächt sich ab—was zu reduzierter Festigkeit und Härte führt. Zusätzlich ist die Bildung von "überhitzten Mikrostrukturen" (z. B. Widmanstätten-Struktur) wahrscheinlich, was die Leistung weiter verschlechtert.

2. Auswirkungen auf Zähigkeit und Duktilität

• Feinkörniger Austenit: Nachfolgende Phasenwandlungsprodukte (feiner Martensit, feiner Sorbit) haben Korngrenzen, die Spannungskonzentrationen verteilen. Die Rissausbreitung erfordert das Umgehen von mehr Korngrenzen (längerer Weg), wodurch die Schlagzähigkeit (αk), Bruchzähigkeit (KIC) und Duktilität (Dehnung, Querschnittsverminderung) erheblich verbessert werden.
  Beispiel: Bei vergütetem Stahl (z. B. 40Cr), der in Baumaschinen verwendet wird, kann die Schlagzähigkeit nach dem Abschrecken und Hochtemperatur-Anlassen (500–600°C) über 80 J/cm² liegen, wenn die Austenitkörner auf Gütegrad 8 oder feiner verfeinert werden. Wenn sich die Körner auf Gütegrad 5 oder gröber vergröbern, kann die Schlagzähigkeit unter 40 J/cm² sinken, was das Risiko eines spröden Bruchs bei niedrigen Temperaturen erhöht.
• Grobkörniger Austenit: Interkristalline Risse bilden sich leicht in grobem Martensit, und der Rissausbreitungswiderstand ist gering—was zu einem starken Rückgang der Zähigkeit führt. Insbesondere in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen (z. B. unter -20°C) kann es zu einem "nicht-duktilen Bruch" (Sprödbruch) kommen, was eine Hauptursache für das Versagen mechanischer Komponenten ist.

II. Austenitgleichmäßigkeit: Beeinflussung der Stabilität und der Eigenspannungen des Stahls

1. Auswirkungen auf die Gleichmäßigkeit von Härte und Festigkeit

• Gleichmäßiger Austenit: Kohlenstoff und Legierungselemente diffundieren vollständig in Austenit, ohne lokale Konzentrationsunterschiede. Während des anschließenden Abschreckens bilden alle Bereiche synchron Martensit (oder andere Phasenwandlungsmikrostrukturen), was zu einer gleichmäßigen Härteverteilung führt (z. B. Härteunterschied ≤ 2 HRC über verschiedene Teile derselben Komponente) und minimale Festigkeitsschwankungen. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Spannungsverteilung in der Komponente und vermeidet lokale Spannungskonzentrationen.
  Beispiel: Lagerstahl (GCr15) muss auf 850–870°C erhitzt werden, mit ausreichender Haltezeit, um eine gleichmäßige Kohlenstoffdiffusion in Austenit zu gewährleisten. Nach dem Abschrecken ist die Oberflächenhärte gleichmäßig (HRC 60–62), was einen gleichmäßigen Verschleiß während des Lagerbetriebs gewährleistet und die Lebensdauer verlängert.
• Ungleichmäßiger Austenit: Unzureichendes Erhitzen (niedrige Temperatur, kurze Zeit) oder grobe Ausgangsmikrostruktur führt zu unvollständiger Kohlenstoffdiffusion in Austenit, was zu "kohlenstoffangereicherten Bereichen" (z. B. in der Nähe von ursprünglichem Zementit) und "kohlenstoffverarmten Bereichen" (z. B. ursprünglichen Ferritbereichen) führt. Während des anschließenden Abschreckens:
  • Kohlenstoffangereicherte Bereiche: Bilden hochkohlenstoffhaltigen Martensit, der eine extrem hohe Härte, aber eine schlechte Zähigkeit aufweist;
  • Kohlenstoffverarmte Bereiche: Bilden kohlenstoffarmen Martensit oder Ferrit, der eine geringe Härte und eine schlechte Festigkeit aufweist.
    Letztendlich verursacht dies eine starke Ungleichmäßigkeit in der Härte und Festigkeit des Stahls. Komponenten neigen zum vorzeitigen Verschleiß in Bereichen mit geringer Härte oder zur Rissbildung in spröden Bereichen mit hoher Härte.

2. Auswirkungen auf die Eigenspannungen

• Bauteilverformung (z. B. Biegung, Verzug) und verringerter Maßgenauigkeit;
• Schwere Fälle: "Abschreckrisse" (z. B. bilden sich leicht Längsrisse in Werkzeugstahl mit ungleichmäßigem Erhitzen), was direkt zum Ausschuss der Komponente führt.

III. Kohlenstoffgehalt und Legierungselemente in Austenit: Regulierung des "Härte-Zähigkeit-Verhältnisses" des Stahls

1. Auswirkungen des Kohlenstoffgehalts (Der wichtigste Faktor)

• Hochkohlenstoffhaltiger Austenit (z. B. hochkohlenstoffhaltiger Stahl mit C > 0,6 %): Wandelt sich nach dem Abschrecken in hochkohlenstoffhaltigen Martensit um (hohe Kohlenstoffübersättigung, schwere Gitterverzerrung). Er hat eine extrem hohe Härte (HRC 60–65) und eine gute Verschleißfestigkeit, aber eine schlechte Zähigkeit (Schlagzähigkeit < 20 J/cm²). Er eignet sich für Szenarien, die eine hohe Härte und geringe Stoßbelastung erfordern (z. B. Schneidwerkzeuge, Gesenke, Lager).
  Beispiel: T10-Stahl (C = 1,0 %) wird austenitisiert (780–800°C) und abgeschreckt, wodurch eine Härte von HRC 62–64 erreicht wird, was ihn für die Herstellung von Handsägeblättern geeignet macht.
• Mittelkohlenstoffhaltiger Austenit (z. B. mittelkohlenstoffhaltiger Stahl mit C = 0,25 %–0,6 %): Wandelt sich nach dem Abschrecken in mittelkohlenstoffhaltigen Martensit um. Nach dem Anlassen (z. B. Hochtemperatur-Anlassen bei 500–600°C) wandelt er sich in "Sorbit" um, das hohe Festigkeit (σb = 800–1200 MPa) und gute Zähigkeit (αk = 40–80 J/cm²) ausgleicht. Dies ist der typische Zustand von Baustahl (z. B. Wellen, Zahnräder).
  Beispiel: 45# Stahl wird abgeschreckt und angelassen (Austenitisierung bei 840°C + Abschrecken + Anlassen bei 550°C), wodurch eine Festigkeit von ca. 900 MPa und eine Schlagzähigkeit von ca. 60 J/cm² erreicht werden, was ihn für die Herstellung von Werkzeugmaschinenspindeln geeignet macht.
• Niedrigkohlenstoffhaltiger Austenit (z. B. niedrigkohlenstoffhaltiger Stahl mit C 100 J/cm²) und eine gute Duktilität (Dehnung > 15 %). Er eignet sich für Szenarien, die eine hohe Zähigkeit und Stoßfestigkeit erfordern (z. B. Baumaschinenarme, Automobilrahmen).
  Beispiel: Q355-Stahl (C ≈ 0,18 %) wird nach Niedrigtemperatur-Austenitisierung (880–920°C) abgeschreckt, um niedrigkohlenstoffhaltigen Martensit zu erhalten, was ihn für die Herstellung von Bauteilen geeignet macht, die Stoßbelastungen ausgesetzt sind.

2. Auswirkungen von Legierungselementen

• Kornverfeinernde Elemente (Ti, Nb, V): Bilden feine Carbide (z. B. TiC, NbC), die das Austenitkornwachstum verhindern, was zu feinkörnigem Austenit führt. Nach dem Abschrecken verbessert dies die Festigkeit und Zähigkeit des Stahls (z. B. mikrolegierter hochfester Stahl Q690, der Nb zur Kornverfeinerung zugibt und eine Festigkeit von über 690 MPa erreicht, während er eine ausgezeichnete Zähigkeit beibehält).
• Zähigkeitsverbessernde Elemente (Ni): Ni senkt die Martensit-Umwandlungstemperatur (Ms-Punkt), reduziert die Martensit-Sprödigkeit und verfeinert die Martensit-Mikrostruktur—was es hochkohlenstoffhaltigem Stahl ermöglicht, eine hohe Härte beizubehalten und gleichzeitig die Zähigkeit zu verbessern (z. B. Werkzeugstahl Cr12MoV mit zugesetztem Ni, dessen Schlagzähigkeit um mehr als 30 % steigt).
• Verschleißfestigkeitsverbessernde Elemente (Cr, Mo): Cr und Mo bilden verschleißfeste Carbide (z. B. Cr₇C₃, Mo₂C). Diese Carbide lösen sich während der Austenitisierung teilweise auf und fallen nach dem Abschrecken und Anlassen aus, wodurch die Verschleißfestigkeit des Stahls erheblich verbessert wird (z. B. verschleißfester Stahl NM450, der Cr und Mo zugibt und den Verschleißverlust im Vergleich zu gewöhnlichem Stahl um 50 % reduziert).

IV. Austenitstabilität: Beeinflussung der Formbeständigkeit und der Anpassungsfähigkeit der Wärmebehandlung des Stahls

1. Auswirkungen auf die Formbeständigkeit

• Hochstabiler Austenit: Neigt dazu, während des Abkühlens Restaustenit zu bilden (Austenit, der nicht in Martensit umgewandelt wurde). Restaustenit wandelt sich bei Raumtemperatur langsam in Martensit um (begleitet von einer Volumenausdehnung), was zu "Alterungsverformung" von Komponenten und verringerter Maßgenauigkeit führt (z. B. können Präzisionsgesenke oder Messgeräte mit übermäßigem Restaustenit nach mehreren Monaten Gebrauch eine Maßzunahme von 0,1 %–0,3 % erfahren).
  Lösung: Fördern Sie die Umwandlung von Restaustenit in Martensit durch "Kryobehandlung" (-80°C bis -196°C) oder stabilisieren Sie Restaustenit durch "Niedrigtemperatur-Anlassen" (150–200°C), um die anschließende Verformung zu minimieren.
• Niedrigstabiler Austenit: Wandelt sich während des Abkühlens leicht vollständig in Martensit um, mit einem geringen Restaustenitgehalt (< 5 %). Komponenten haben eine gute Formbeständigkeit, was sie für Präzisionsteile (z. B. Lager, Zahnräder) geeignet macht.

2. Auswirkungen auf die Anpassungsfähigkeit der Wärmebehandlung

• Hochstabiler Austenit (z. B. legierter Stahl): Die C-Kurve verschiebt sich nach rechts, wodurch die kritische Abkühlgeschwindigkeit reduziert wird. Ölkühlung (anstelle von Wasser) kann verwendet werden, um das Abschreckhärten zu erreichen, wodurch Verformungen und Risse, die durch Abkühlspannungen verursacht werden, reduziert werden (z. B. kann 40Cr-Stahl durch Ölabschrecken HRC 50–55 erreichen, während 45#-Stahl Wasserabschrecken erfordert).
• Niedrigstabiler Austenit (z. B. kohlenstoffarmer Stahl, Reines Eisen): Die C-Kurve verschiebt sich nach links, was zu einer hohen kritischen Abkühlgeschwindigkeit führt. Eine extrem schnelle Abkühlung (z. B. Wasserabkühlung, Sprühkühlung) ist erforderlich, um Martensit zu erhalten; andernfalls bildet sich leicht Perlit (geringe Härte). Daher ist seine Prozessanpassungsfähigkeit schlecht (z. B. wird kohlenstoffarmer Stahl normalerweise nicht allein abgeschreckt und erfordert eine chemische Wärmebehandlung wie Aufkohlen).

Schlussfolgerung: Austenitbildung ist die "Quellkontrolle" der Stahleigenschaften

• Für Festigkeit-Zähigkeit-Gleichgewicht (z. B. Strukturbauteile) muss feinkörniger, gleichmäßiger mittelkohlenstoffhaltiger Austenit kontrolliert werden;
• Für hohe Härte und Verschleißfestigkeit (z. B. Werkzeuge, Gesenke) muss hochkohlenstoffhaltiger, feinkörniger Austenit kontrolliert werden;
• Für hohe Maßgenauigkeit (z. B. Präzisionsteile) muss Austenit mit geringem Restaustenitgehalt kontrolliert werden.