Austenite là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu

Austenite là pha tinh thể của sắt (Fe) và hợp kim sắt, có cấu trúc lập phương tâm diện (FCC – face-centered cubic) ổn định ở nhiệt độ cao, thường từ khoảng 723 °C đến 1493 °C tùy thành phần carbon. Pha này đóng vai trò trung tâm trong công nghệ nhiệt luyện thép, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ lý như độ dẻo, độ bền kéo và độ dai va đập.

Austenite đóng vai trò làm “mẫu số chung” cho nhiều quá trình chuyển pha quan trọng. Khi làm nguội nhanh (tôi), austenite biến đổi thành martensite giòn; khi làm nguội vừa phải, nó chuyển thành bainite hoặc perlite. Quá trình này cho phép kỹ sư vật liệu điều chỉnh cơ tính của thép theo yêu cầu ứng dụng.

Trong thép không gỉ austenitic (ví dụ 304, 316), pha này vẫn bền vững ở nhiệt độ phòng nhờ bổ sung các nguyên tố hợp kim như niken (Ni) và mangan (Mn). Nhờ đó, thép austenitic có khả năng chống ăn mòn và tính dẻo cao, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế biến thực phẩm, y tế và hàng hải (ASM International).

Cấu trúc tinh thể

Cấu trúc FCC của austenite gồm các nguyên tử sắt nằm ở tám đỉnh và sáu vị trí trung tâm các mặt của ô đơn vị. Khoảng hở giữa các nguyên tử tương đối lớn, tạo điều kiện cho nguyên tử carbon hòa tan vào vị trí liên kết giữa các nguyên tử sắt (interstitial sites), tối đa khoảng 2,14 % khối lượng ở 1147 °C.

Sự bố trí lập phương tâm diện mang lại đặc tính biến dạng dẻo cao nhờ quá trình trượt mặt rộng rãi, so với pha ferrite (BCC – body-centered cubic) chỉ có ba hệ mặt trượt. Điều này giúp austenite dễ gia công nguội và kéo dãn mà không giòn gãy.

Đặc tính	FCC (Austenite)	BCC (Ferrite)
Số nguyên tử ô đơn vị	4	2
Hệ mặt trượt	12	48
Độ hòa tan C tối đa	2,14 % (1147 °C)	0,02 % (727 °C)
Biến dạng dẻo	Cao	Trung bình

Trong hệ Fe–C, độ bền liên kết kim loại mạnh và mật độ nguyên tử cao của FCC giúp pha austenite ổn định ở nhiệt độ cao và dễ tương tác với các nguyên tố hợp kim như Ni, Mn, Cr để điều chỉnh nhiệt độ chuyển pha và độ bền của thép.

Điều kiện hình thành

Austenite hình thành khi gia nhiệt thép lên trên nhiệt độ chuyển pha A₁ (khoảng 723 °C đối với thép carbon thấp) và duy trì đủ lâu để cấu trúc khoáng vật ferrite và cementite biến đổi vào FCC. Nhiệt độ A₃ (khoảng 912 °C) là giới hạn trên, sau đó pha lỏng xuất hiện.

• Nhiệt độ A₁: Điểm bắt đầu hình thành austenite từ ferrite + cementite.
• Nhiệt độ A₃: Tất cả ferrite chuyển thành austenite.
• Phạm vi nhiệt độ: 723–912 °C đối với thép carbon, rộng hơn khi có Ni, Mn.

Thêm nguyên tố hợp kim như niken và mangan làm hạ thấp nhiệt độ A₁ và A₃, mở rộng vùng ổn định của austenite. Ví dụ, thêm 8–10 % Ni vào thép không gỉ làm cho pha austenite duy trì ở nhiệt độ phòng, tạo ra thép austenitic không từ tính.

Thời gian giữ nhiệt (soak time) và tốc độ làm nguội cũng ảnh hưởng đến kích thước hạt austenite: giữ nhiệt quá lâu gây tăng kích thước hạt, giảm độ bền; làm nguội quá nhanh hoặc không đồng đều có thể tạo ra pha không mong muốn hoặc nứt cấu trúc.

Phương trình cân bằng pha Fe–C

$\gamma\text{-Fe (Austenite)} \;\xleftrightarrow{A_1}^{A_3}\; \alpha\text{-Fe (Ferrite)} + \text{Fe}_3\text{C (Cementite)}$

• Trên biểu đồ pha Fe–C, A₁ và A₃ xác định ranh giới pha một pha (austenite) và pha hỗn hợp.
• Tại 1147 °C, pha austenite đạt độ hòa tan C tối đa 2,14 %.
• Phương trình cân bằng cho phép dự đoán thành phần pha và tính chất cơ học sau xử lý nhiệt.

Biểu đồ cân bằng này là cơ sở để thiết kế quy trình nhiệt luyện như tôi và ủ, giúp xác định điều kiện gia nhiệt và làm nguội để đạt được pha mong muốn. Ví dụ, trong thép công cụ, thiết lập nhiệt độ tôi khoảng 800–850 °C giúp tạo austenite bão hòa carbon, tối ưu pha martensite sau tôi.

Biến đổi pha và ổn định

Austenite có thể biến đổi thành các pha khác khi làm nguội hoặc giữ nhiệt ở các điều kiện khác nhau. Khi làm nguội nhanh (tốc độ >10 °C/giây), austenite biến thành martensite – pha lập phương tâm khối (BCT) rất cứng và giòn. Quá trình này dựa trên cơ chế biến dạng biến hình (shear transformation), không cần phân huỷ carbon, cho phép tạo độ cứng cao ngay tức thì.

Khi làm nguội vừa phải, quá trình biến đổi diễn ra qua giai đoạn trung gian tạo pha bainite hoặc perlite. Bainite gồm các tấm mảnh pha ferrite mịn xen kẽ với carbide, kết hợp độ cứng của martensite và độ dẻo của ferrite; perlite bao gồm lớp ferrite và cementite xen kẽ, cho độ bền và độ dẻo trung bình.

• Tôi nhanh: tạo martensite, độ cứng > 60 HRC, giòn cao.
• Tôi vừa: tạo bainite, độ cứng 40–55 HRC, dẻo dai hơn.
• Làm nguội chậm: tạo perlite, độ cứng 30–40 HRC, dễ gia công.

Ổn định austenite ở nhiệt độ thấp thường cần hợp kim hóa với Ni, Mn, N để ngăn chặn chuyển pha khi làm nguội. Thép ổn định austenitic (dual-phase) kết hợp pha austenite bền và ferrite cho khả năng hấp thụ năng lượng va đập cao và độ giãn dài lớn.

Tính chất cơ–hóa học

Austenite cho phép hòa tan lượng lớn carbon và các nguyên tố hợp kim trong các vị trí kẽ (interstitial), tạo nền tảng cho các pha chuyển tiếp có tính chất khác nhau. Độ dẻo cao nhờ hệ mặt trượt FCC, chịu biến dạng tĩnh và biến dạng va đập tốt hơn pha ferrite và martensite.

Về hóa học, austenite bền trong môi trường oxy hóa nhờ lớp thụ động Cr₂O₃ bám bề mặt khi có ≥16 % Cr. Thép không gỉ austenitic (304, 316) chứa 18–20 % Cr, 8–10 % Ni cho khả năng chống ăn mòn vượt trội trong axit, bazơ và muối biển (Corfacem 316 Stainless Steel).

Loại thép	Thành phần chính (%)	Đặc tính cơ học	Ứng dụng
304	18Cr–8Ni	Độ bền kéo ~520 MPa, giãn dài 40%	Công nghiệp thực phẩm, y tế
316	16Cr–10Ni–2Mo	Độ bền kéo ~490 MPa, giãn dài 45%	Công nghiệp hóa chất, hàng hải
Duplex	22Cr–5Ni–3Mo	Độ bền kéo ~700 MPa, giãn dài 25%	Ống dầu khí, xử lý nước thải

Hệ số giãn nở nhiệt của austenite (~16.5 µm/m·K) thấp hơn martensite nhưng cao hơn ferrite, cần cân nhắc khi thiết kế chi tiết chịu nhiệt hoặc tiếp xúc vật liệu khác để tránh ứng suất nhiệt. Khả năng dẫn nhiệt (~15 W/m·K) giúp phân tán nhiệt nhanh, thích hợp cho thành phần lò hơi, bình trao đổi nhiệt.

Ứng dụng công nghiệp

Thép austenitic không gỉ chiếm hơn 60 % tổng sản lượng thép không gỉ, ứng dụng trong sản xuất van, bơm, đường ống hóa chất và thiết bị y tế nhờ tính chống ăn mòn và vô từ tính. Ngành dầu khí sử dụng thép duplex (tổ hợp austenite–ferrite) cho ống khoan và thiết bị dưới nước, tận dụng độ bền cao và khả năng chống ăn mòn cao áp (EUROFER).

Trong công nghiệp ô tô, austenite biến tính (TRIP steel) chứa pha ổn định austenite bên trong vỏ martensite, tạo khả năng hấp thụ va đập cao và giảm trọng lượng, đáp ứng yêu cầu an toàn và tiết kiệm nhiên liệu. Ngành hàng không sử dụng siêu hợp kim austenitic gốc Ni–Fe cho các bộ phận tua bin khí, chịu được nhiệt độ >700 °C và áp suất cao.

Phương pháp xác định và quan sát

• Nhiễm từ tính: austenite không từ tính, phân biệt nhanh với ferrite và martensite bằng nam châm hoặc máy đo từ suất.
• Kính hiển vi quang học: mài mòn và ăn mòn mẫu để quan sát cấu trúc hạt pha austenite và các pha chuyển tiếp.
• Phổ tia X (XRD): xác định đỉnh tín hiệu (111), (200), (220) của FCC, đo tỷ lệ phần trăm pha và kích thước hạt (ScienceDirect XRD Austenite).

Phương pháp EBSD (Electron Backscatter Diffraction) trên SEM cho phép lập bản đồ pha với độ phân giải <100 nm, xác định hướng kết tinh và biến dạng nội pha. DSC (Differential Scanning Calorimetry) đo nhiệt lượng thu/ tỏa khi biến pha, xác định chính xác nhiệt độ A₁ và A₃ trong hợp kim phức tạp.

Hướng nghiên cứu tương lai

Nghiên cứu tập trung vào siêu hợp kim gốc austenite có khả năng chịu nhiệt độ >800 °C và chống xâm thực khí động học, ứng dụng cho tua bin điện gió và động cơ phản lực. Các hợp kim dựa trên Fe–Cr–Ni–Al–Ti đang thử nghiệm nhằm tăng cường oxy hóa cao và độ bền nhiệt.

Công nghệ in 3D (additive manufacturing) cho phép kiểm soát vi cấu trúc austenite theo từng lớp, tạo hình chi tiết phức tạp mà không cần khuôn, tiết kiệm vật liệu và thời gian sản xuất. AI kết hợp mô phỏng pha (CALPHAD) và học máy dự đoán tính chất vật liệu theo thành phần và quy trình nhiệt luyện, tối ưu hóa thiết kế vật liệu mới.

Phát triển hợp kim “xanh” giảm Ni nhưng vẫn đảm bảo ổn định austenite và chống ăn mòn, khai thác công nghệ tái chế thép không gỉ phế thải. Nghiên cứu về pha metastable austenite và biến thành TRIP hiệu quả hơn giúp tăng độ bền và độ dẻo trong thép xây dựng cao cấp.

Tài liệu tham khảo

• Callister, W. D., & Rethwisch, D. G. (2013). Materials Science and Engineering: An Introduction. Wiley.
• Honeycombe, R., & Bhadeshia, H. K. D. H. (1995). Steels: Microstructure and Properties. Edward Arnold.
• ASM International. Phase Transformations in Metals and Alloys. asminternational.org
• Schroeder, E. (2014). The Iron–Carbon System. Journal of Phase Equilibria and Diffusion, 35(2), 123–141.
• Smith, W. F., & Hashemi, J. (2010). Foundations of Materials Science and Engineering. McGraw-Hill.