Бейнит - Bainite

Бейнит в стали состава Fe – 0.98C – 1.46Si – 1.89Mn – 0.26Mo – 1.26Cr – 0.09V мас.%, Который преобразовывался при 200 ° C в течение 15 сут.

Бейнит представляет собой пластинчатую микроструктуру, которая образуется в сталях при температурах 125–550 ° C (в зависимости от содержания сплава). Впервые описанный Э. С. Давенпортом и Эдгаром Бейном , это один из продуктов, который может образовываться, когда аустенит ( гранецентрированная кубическая кристаллическая структура железа ) охлаждается выше температуры, при которой он теряет термодинамическую стабильность по отношению к ферриту, цементиту и т.д. или феррит и цементит. Давенпорт и Бейн первоначально описали микроструктуру как внешне похожую на отпущенный мартенсит .

Бейнит с мелкой неламеллярной структурой обычно состоит из цементита и феррита с высоким содержанием дислокаций . Большая плотность дислокаций в феррите, присутствующем в бейните, и мелкий размер пластинок бейнита делают этот феррит более твердым, чем обычно.

Температурный интервал превращения аустенита в бейнит (125–550 ° C) находится между таковыми для перлита и мартенсита. Фактически, не существует принципиального нижнего предела для температуры начала бейнита. При образовании во время непрерывного охлаждения скорость охлаждения для образования бейнита выше, чем скорость, необходимая для образования перлита, но менее высокая, чем требуется для образования мартенсита (в сталях того же состава). Большинство легирующих элементов замедляют образование бейнита, хотя углерод является наиболее эффективным в этом отношении. Алюминий или кобальт являются исключением, поскольку они могут ускорять разложение аустенита и повышать температуру превращения.

Микроструктуры мартенсита и бейнита сначала кажутся очень похожими, состоящими из тонких пластин, которые в низколегированных сталях сгруппированы вместе. Это следствие того, что две микроструктуры имеют много общих аспектов механизмов трансформации. Тем не менее, морфологические различия действительно существуют, и для их наблюдения требуется просвечивающий электронный микроскоп . Под световым микроскопом микроструктура бейнита кажется более темной, чем неотпущенный мартенсит, потому что бейнит имеет более субструктуру.

Твердость бейнита может быть между перлитом и неотпущенным мартенситом при одинаковой твердости стали . Тот факт, что его можно производить как во время изотермического, так и во время непрерывного охлаждения, является большим преимуществом, поскольку это облегчает производство крупных компонентов без чрезмерного добавления легирующих элементов. В отличие от мартенситных сталей, сплавы на основе бейнита часто не нуждаются в дополнительной термообработке после превращения для оптимизации прочности и ударной вязкости.

История

В 20-х годах прошлого века Давенпорт и Бейн открыли новую микроструктуру стали, которую они условно назвали мартенсит-трооститом, так как она занимала промежуточное положение между уже известной низкотемпературной мартенситной фазой и тем, что тогда было известно как троостит (теперь мелкий перлит ). Эта микроструктура была впоследствии названа бейнитом коллегами Бейна из United States Steel Corporation, хотя потребовалось некоторое время, чтобы это название было принято научным сообществом в книгах 1947 года, в которых бейнит не упоминался по названию. Бейн и Давенпорт также отметили существование двух различных форм: бейнита «верхнего диапазона», который образовывался при более высоких температурах, и бейнита «нижнего диапазона», который образовывался вблизи начальной температуры мартенсита (эти формы теперь известны как верхний и нижний бейнит). соответственно). Ранняя терминология была дополнительно запутана из-за перекрытия в некоторых сплавах нижнего диапазона перлитной реакции и верхнего диапазона бейнита с дополнительной возможностью проэвтектоидного феррита.

Формирование

Иллюстрация диаграммы преобразования непрерывного охлаждения (cct) для стального сплава

При температуре выше 900 ° C типичная низкоуглеродистая сталь полностью состоит из аустенита , высокотемпературной фазы железа, имеющей кубическую плотноупакованную кристаллическую структуру. При охлаждении он имеет тенденцию превращаться в смесь фаз феррита и цементита, в зависимости от точного химического состава. Сталь эвтектоидного состава при равновесных условиях превращается в перлит - смесь феррита и цементита (Fe 3 C) с чередующимися слоями . Помимо термодинамических соображений, указанных на фазовой диаграмме, на фазовые превращения в стали сильно влияет химическая кинетика . Это связано с тем, что диффузия атомов железа становится затруднительной при температуре ниже 600 ° C в типичных условиях обработки. Как следствие, возникает сложный массив микроструктур, когда подвижность атомов ограничена. Это приводит к усложнению микроструктуры стали, на которую сильно влияет скорость охлаждения. Это можно проиллюстрировать диаграммой непрерывного преобразования охлаждения (CCT), которая отображает время, необходимое для образования фазы, когда образец охлаждается с определенной скоростью, таким образом показывая области в пространстве время-температура, из которых можно вывести ожидаемые доли фазы для данный тепловой цикл.

Если сталь охлаждают медленно или изотермически трансформируют при повышенных температурах, полученная микроструктура будет ближе к равновесной и будет содержать, например, аллотриоморфный феррит, цементит и перлит. Однако превращение аустенита в перлит - это зависящая от времени реконструктивная реакция, которая требует крупномасштабного движения атомов железа и углерода. В то время как межузельный углерод легко диффундирует даже при умеренных температурах, самодиффузия железа становится чрезвычайно медленной при температурах ниже 600 ° C до тех пор, пока практически не прекращается. Как следствие, быстро охлаждаемая сталь может достичь температуры, при которой перлит больше не может образовываться, несмотря на то, что реакция является неполной, а оставшийся аустенит является термодинамически нестабильным.

Аустенит, который охлаждается достаточно быстро, чтобы избежать высокотемпературных превращений, может образовывать мартенсит без какой-либо диффузии железа или углерода за счет деформации гранецентрированной кристаллической структуры аустенита в искаженную объемноцентрированную тетрагональную или объемноцентрированную кубическую структуру. Эта неравновесная фаза может образоваться только при низких температурах, когда движущей силы реакции достаточно, чтобы преодолеть значительную деформацию решетки, вызванную превращением. Превращение по существу не зависит от времени, при этом фазовая доля зависит только от степени охлаждения ниже критической температуры начала мартенсита. Кроме того, это происходит без диффузии атомов замещения или внедрения, и поэтому мартенсит наследует состав исходного аустенита.

Бейнит занимает область между этими двумя процессами в диапазоне температур, в котором самодиффузия железа ограничена, но движущей силы недостаточно для образования мартенсита. Бейнит, как и мартенсит, растет без диффузии, но часть углерода затем разделяется на любой остаточный аустенит или осаждается в виде цементита. Еще одно различие часто делается между так называемым нижним бейнитом, который образуется при температурах, близких к температуре начала мартенсита, и верхним бейнитом, который образуется при более высоких температурах. Это различие возникает из-за скоростей диффузии углерода при температуре, при которой образуется бейнит. Если температура высока, углерод будет быстро диффундировать от вновь образованного феррита и образовывать карбиды в обогащенном углеродом остаточном аустените между ферритными пластинами, оставляя их свободными от карбидов. При низких температурах углерод будет диффундировать медленнее и может выпадать в осадок, прежде чем он сможет покинуть бейнитный феррит. Существуют некоторые разногласия по поводу специфики механизма трансформации бейнита; обе теории представлены ниже.

Теория смещения

Одна из теорий о специфическом механизме образования бейнита состоит в том, что он происходит путем сдвигового превращения, как в мартенсите. Изменение кристаллической структуры достигается за счет деформации, а не за счет диффузии. Изменение формы, связанное с бейнитом, представляет собой инвариантную плоскую деформацию с большой составляющей сдвига. Этот вид деформации подразумевает упорядоченное движение атомов (а не хаотический перенос, связанный с диффузией) и типичен для всех трансформаций смещения в сталях, например, мартенсита, бейнита и феррита Видманштеттена. С таким рельефом связана энергия деформации, которая приводит к пластинчатой ​​форме продукта превращения. Любая диффузия является следствием бездиффузионного превращения аустенита, например, отделение углерода от перенасыщенного бейнитного феррита или выделение карбидов; это аналогично отпуску мартенсита.

Эта теория правильно предсказывает многие особенности бейнита, в том числе:

  • форма пластины, которая является следствием минимизации энергии деформации из-за деформации формы, сопровождающей преобразование.
  • Дело в том, что избыток углерода задерживается внутри даже бездефектных участков бейнитного феррита.
  • Дело в том, что элементарная ячейка бейнитного феррита может быть тетрагональной, а не кубической.
  • Тот факт, что превращение бейнита может быть резко замедлено, когда аустенит сначала подвергается пластической деформации, явление, известное как механическая стабилизация, которое является уникальным для превращений смещения.
  • Очевидный факт, что смещения происходят при росте бейнита. Превращение представляет собой комбинацию деформации и изменения кристаллической структуры, как и мартенсит.

Диффузионная теория

Диффузионная теория процесса превращения бейнита основана на предположении, что пластина бейнитного феррита растет по тому же механизму, что и феррит Видманштеттена, при более высоких температурах. Таким образом, скорость его роста зависит от того, насколько быстро углерод может диффундировать из растущего феррита в аустенит. Распространенное заблуждение состоит в том, что этот механизм исключает возможность когерентных интерфейсов и поверхностного рельефа. Фактически некоторые считают, что образование феррита Видманштеттена контролируется диффузией углерода и действительно имеет подобный рельеф поверхности.

Морфология

Обычно бейнит проявляется в виде агрегатов, называемых шкивами , ферритных пластин ( подузлов ), разделенных остаточным аустенитом, мартенситом или цементитом. Хотя субблоки кажутся отдельными при просмотре на 2-мерном сечении, на самом деле они взаимосвязаны в 3-х измерениях и обычно имеют линзовидную пластину или морфологию реек. Сами связки имеют форму клина, причем более толстый конец связан с местом зародышеобразования.

Обнаружено, что толщина ферритных пластин увеличивается с увеличением температуры превращения. Модели нейронных сетей показали, что это не прямое влияние температуры как таковое, а, скорее, результат температурной зависимости движущей силы реакции и прочности аустенита, окружающего пластины. При более высоких температурах и, следовательно, более низком переохлаждении, уменьшенная термодинамическая движущая сила вызывает уменьшение скорости зародышеобразования, что позволяет отдельным пластинам увеличиваться в размерах до того, как они физически столкнутся друг с другом. Кроме того, рост пластин должен компенсироваться пластическим течением в окружающем аустените, что затруднительно, если аустенит прочный и препятствует росту пластины.

Верхний бейнит

«Верхний бейнит» образует снопы около 400–550 ° C. Эти связки содержат несколько реек феррита, которые приблизительно параллельны друг другу и демонстрируют отношения Курдюмова-Сакса с окружающим аустенитом, хотя это соотношение ухудшается при понижении температуры превращения. Феррит в этих шкивах имеет концентрацию углерода ниже 0,03%, в результате чего вокруг реек образуется богатый углеродом аустенит.

Количество цементита, образующегося между планками, зависит от содержания углерода в стали. Для низкоуглеродистой стали, как правило, между планками будут присутствовать прерывистые «стрингеры» или небольшие частицы цементита. Для стали с более высоким содержанием углерода стрингеры становятся непрерывными по длине соседних реек.

Нижний бейнит

Нижний бейнит образуется при температуре от 250 до 400 ° C и принимает более пластинчатую форму, чем верхний бейнит. В нижнем бейните не так много малоугловых границ между рейками. В нижнем бейните плоскость габитуса в феррите также будет сдвигаться от <111> к <110> при понижении температуры превращения. В нижнем бейните цементит зарождается на границе между ферритом и аустенитом .

Неполное преобразование

В данном контексте «неполное превращение» относится к тому факту, что в отсутствие выделения карбида реакция с бейнитом останавливается задолго до того, как аустенит достигнет своего равновесного или параравновесного химического состава. Он останавливается в точке, где свободные энергии аустенита и феррита одинакового состава становятся одинаковыми, т.е. превращение без изменения химического состава участвующих фаз становится термодинамически невозможным.

Ранние исследования бейнита показали, что при данной температуре только определенная объемная доля аустенита может превратиться в бейнит, а остальная часть разложится до перлита после продолжительной задержки. Это было так, несмотря на то, что полное превращение аустенита в перлит могло быть достигнуто при более высоких температурах, когда аустенит был более стабильным. Доля бейнита, который мог образоваться, увеличивалась при понижении температуры. В конечном итоге это объяснялось тем фактом, что при образовании бейнитного феррита пересыщенный углерод будет вытеснен в окружающий аустенит, таким образом термодинамически стабилизируя его от дальнейшего превращения.

Разница между мартенситом и бейнитом

Бейнит по существу можно рассматривать как мартенсит, который закаляется в процессе превращения. Он образуется при более высокой температуре, чем мартенсит, и даже последний может подвергаться самотечению. Поскольку температура превращения выше, сам аустенит является механически слабым, так что деформация формы из-за бейнита ослабляется пластической деформацией соседнего аустенита. Как следствие, растущая пластина бейнита сталкивается с лесом дислокаций, который в конечном итоге прекращает свой рост даже до того, как пластина коснется границы аустенитного зерна. Поэтому пластины бейнита могут быть меньше, чем пластины мартенсита в той же стали. Затем преобразование происходит по механизму субъединицы, включающему последовательное зарождение новых пластин.

Приложения

Стальные валы с высоким содержанием бейнита
Стальной валок с высоким содержанием бейнита

При увеличении содержания бейнита в стали твердость, текучесть и предел прочности остаются почти постоянными при содержании бейнита до 50%, а затем увеличиваются примерно на 2 часа. 30%. Следовательно, валы и листы метрового размера из высокобейнитных сталей серийно производятся компаниями Rolls-Royce Holdings и Tata Steel .

Рекомендации

внешние ссылки