Төзімді болаттардағы баинит құрылымы: 125-550°C температурада пайда болады, цементит пен ферриттен тұрады, жоғары беріктікке ие. Болат өндірісі үшін маңызды!
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Болаттарда пластина тәрізді микроқұрылым
Plate like microstructure in steels
Баинит – болаттарда 125–550 °C температурада (қоспа құрамына байланысты) пайда болатын пластина тәрізді микроқұрылым. Ол аустениттің (темірдің көлем орталық кубтық кристалдық құрылымы) ферритке, цементитке немесе феррит пен цементитке қатысты термодинамикалық тұрақтылығын жойғаннан кейін салқындату нәтижесінде пайда болатын өнімдердің бірі болып табылады. Давенпорт пен Бейн бастапқыда бұл микроқұрылымды сыртқы түрінен темперленген мартенситке ұқсас деп сипаттады. Жұқа ламелді емес құрылымға ие баинит көбінесе цементиттен және дислокацияға толы ферриттен тұрады. Баиниттегі ферриттегі дислокациялардың жоғары тығыздығы және баинит пластиналарының кішкентай өлшемі осы ферритті қалыпты жағдайдағыдан қатайтады. Аустениттің баинитке өту температурасының диапазоны (125–550 °C) перлит пен мартенситтің арасында орналасады. Шындығында, баинит пайда болу температурасының ең төменгі шегі жоқ. Ұдайы салқындату кезінде баиниттің қалыптасуы үшін қажетті салқындату жылдамдығы перлиттің қалыптасуы үшін қажетті жылдамдықтан жоғары, бірақ мартенситтің қалыптасуы үшін қажетті жылдамдықтан төмен болады (бірдей құрамдағы болаттар үшін). Көптеген қоспа элементтері баиниттің пайда болуын тежейді, бірақ көміртек бұл процесте ең тиімді. Мартенсит пен баиниттің микроқұрылымдары көзбен қарағанда өте ұқсас көрінеді, олар төмен легирленген болаттарда жиналатын жұқа пластиналардан тұрады. Бұл екі микроқұрылымның трансформация механизмдерінің көптеген аспектілерін ортақ болуының салдары. Дегенмен, оларды көру үшін электронды микроскопты қолдану қажет болатын морфологиялық айырмашылықтар бар. Жарық микроскопында баиниттің микроқұрылымы темперленбеген мартенситке қарағанда қараңғырақ көрінеді, себебі баинитте көбірек субқұрылым бар. Баиниттің қаттылығы сол болаттағы перлит пен темперленбеген мартенситтің қаттылығы арасында болуы мүмкін. Оның изотермиялық немесе Ұдайы салқындату арқылы өндірілуі үлкен артықшылық болып табылады, өйткені бұл үлкен компоненттерді артық қоспа элементтерін қоспастан өндіруді жеңілдетеді. Мартенситтік болаттардан айырмашылығы, баинит негізіндегі қорытпалар көбінесе беріктік пен иілгіштікті оңтайландыру үшін трансформациядан кейін қосымша жылумен өңдеуді қажет етпейді.
Bainite is a plate like microstructure that forms in steels at temperatures of 125–550 °C (depending on alloy content). it is one of the products that may form when austenite (the face centered cubic crystal structure of iron) is cooled past a temperature where it is no longer thermodynamically stable with respect to ferrite, cementite, or ferrite and cementite. Davenport and Bain originally described the microstructure as being similar in appearance to tempered martensite. A fine non lamellar structure, bainite commonly consists of cementite and dislocation rich ferrite. The large density of dislocations in the ferrite present in bainite, and the fine size of the bainite platelets, makes this ferrite harder than it normally would be. The temperature range for transformation of austenite to bainite (125–550 °C) is between those for pearlite and martensite. In fact, there is no fundamental lower limit to the bainite start temperature. When formed during continuous cooling, the cooling rate to form bainite is more rapid than that required to form pearlite, but less rapid than is required to form martensite (in steels of the same composition). Most alloying elements will retard the formation of bainite, though carbon is the most effective in doing so. The microstructures of martensite and bainite at first seem quite similar, consisting of thin plates which in low alloy steels cluster together. This is a consequence of the two microstructures sharing many aspects of their transformation mechanisms. However, morphological differences do exist that require a transmission electron microscope to see. Under a light microscope, the microstructure of bainite appears darker than untempered martensite because the bainite has more substructure. The hardness of bainite can be between that of pearlite and untempered martensite in the same steel hardness. The fact that it can be produced during both isothermal or continuous cooling is a big advantage, because this facilitates the production of large components without excessive additions of alloying elements. Unlike martensitic steels, alloys based on bainite often do not need further heat treatment after transformation in order to optimise strength and toughness.
Тарих
1920 жылдары Давенпорт пен Бейн жаңа болат микроқұрылымын ашты, оны бастапқыда мартензит-троостит деп атады, себебі ол бұрыннан белгілі төмен температуралық мартензит фазасы мен сол кезде троостит (қазіргі кезде майда перлит) деп аталған аралық жағдайды қамтиды. Бұл микроқұрылымды кейіннен Бейннің Америка Құрама Штаттарының Болат Корпорациясындағы әріптестері баинит деп атады, бірақ бұл атау ғылыми қауымдастықта кеңінен қабылдануына біршама уақыт кетті, тіпті 1947 жылғы кітаптарда да баинит туралы еске алу жоқ еді. Салқындағанда, ол химиялық құрамына байланысты феррит және цементит фазаларының қоспасына айналуға бейім. Эутектоидты құрамдағы болат тепе-теңдік жағдайында перлитке айналады – феррит пен цементиттен (Fe3C) құралған өзара біріккен қоспа. Фазалық диаграммада көрсетілген термодинамикалық шарттардан басқа, болаттағы фазалық түрленулерге химиялық кинетика да зор әсер етеді. Себебі, темір атомдарының диффузиясы қалыпты өңдеу жағдайында 600°C-тан төмен температурада қиынға соғады. Осының салдарынан, атомдық жылдамдық шектеулі болған кезде микроқұрылымдардың күрделі жиынтығы пайда болады. Бұл болат микроқұрылымдарының күрделілігіне әкеледі, оларға салқындату жылдамдығы зор әсер етеді. Бұл үздіксіз салқындату түрленуі (CCT) диаграммасымен көрсетілуі мүмкін, ол белгілі бір жылдамдықпен салқындатылғанда фазаның қалыптасуына қажетті уақытты көрсетеді, сонымен қатар берілген жылу циклі үшін күтілетін фазалық үлестерді анықтауға болатын уақыт-температура кеңістігіндегі аймақтарды көрсетеді. Егер болатты баяу салқындатса немесе жоғары температурада изотермиялық түрлендірсе, алынған микроқұрылым тепе-теңдікке жақын болады, мысалы, аллотриоморфты феррит, цементит және перлит. Дегенмен, аустениттен перлитке айналу – темір мен көміртек атомдарының кең ауқымды қозғалысын қажет ететін, уақытқа тәуелді қайта құру реакциясы. Интерстициалды көміртек тіпті орташа температурада да оңай диффузиялайды, ал темірдің өзіндік диффузиясы 600°C төмен температурада өте баяу болады, содан кейін практикалық тұрғыдан тоқтатылады. Осының салдарынан, тез салқындатылған болат реакция толық аяқталмаған және қалған аустенит термодинамикалық тұрақсыз болған кезде, перлитті қалыптастыра алмайтын температураға жете алады. Жоғары температуралық түрленулерден аулақ болу үшін жеткілікті жылдам салқындатылған аустенит, темірдің немесе көміртекдің диффузиясы болмай, аустениттің бетке орталықталған кристалдық құрылымын бұрмаланған денеге орталықталған тетрагональды немесе кубтық құрылымға айналдыру арқылы мартенситті қалыптастырады. Бұл тепе-теңдік емес фаза тек төмен температурада ғана пайда болады, онда реакцияның қозғаушы күші трансформация салдарынан туындайтын айтарлықтай торлық деформацияны жеңуге жеткілікті. Түрлену негізінен уақытқа тәуелсіз, фазалық үлесі тек мартензит басталу температурасынан төмен салқындату дәрежесіне байланысты. Сонымен қатар, ол алмастырушы немесе интерстициалдық атомдардың диффузиясы болмайды, сондықтан мартензит ата-ана аустениттің құрамын мұра етеді. Баинит осы екі процесс арасындағы температуралық диапазонда орналасқан, онда темірдің өзіндік диффузиясы шектеулі, бірақ мартенситті қалыптастыруға жеткілікті қозғаушы күш жоқ. Баинит, мартенсит сияқты, диффузиясыз өседі, бірақ көміртегінің бір бөлігі қалдық аустенитке бөлінеді немесе цементит ретінде тұнбаланады. Баиниттің түрлену механизміне қатысты кейбір даулар бар; екі теория да төменде келтірілген.
In the 1920s Davenport and Bain discovered a new steel microstructure which they provisionally called martensite troostite, due to it being intermediate between the already known low temperature martensite phase and what was then known as troostite (now fine pearlite). This microstructure was subsequently named bainite by Bain's colleagues at the United States Steel Corporation, although it took some time for the name to be taken up by the scientific community with books as late as 1947 failing to mention bainite by name. On cooling, it tends to transform into a mixture of phases, ferrite and cementite, depending on the exact chemical composition. A steel of eutectoid composition will under equilibrium conditions transform into pearlite – an interleaved mixture of ferrite and cementite (Fe3C). In addition to the thermodynamic considerations indicated by the phase diagram, the phase transformations in steel are heavily influenced by the chemical kinetics. This is because the diffusion of iron atoms becomes difficult below about 600 °C under typical processing conditions. As a consequence, a complex array of microstructures occurs when the atomic mobility is limited. This leads to the complexity of steel microstructures which are strongly influenced by the cooling rate. This can be illustrated by a continuous cooling transformation (CCT) diagram which plots the time required to form a phase when a sample is cooled at a specific rate thus showing regions in time temperature space from which the expected phase fractions can be deduced for a given thermal cycle. If the steel is cooled slowly or isothermally transformed at elevated temperatures, the microstructure obtained will be closer to equilibrium, containing for example of allotriomorphic ferrite, cementite and pearlite. However, the transformation from austenite to pearlite is a time dependent reconstructive reaction which requires the large scale movement of the iron and carbon atoms. While the interstitial carbon diffuses readily even at moderate temperatures the self diffusion of iron becomes extremely slow at temperatures below 600 °C until, for all practical purposes, it stops. As a consequence, a rapidly cooled steel may reach a temperature where pearlite can no longer form despite the reaction being incomplete and the remaining austenite being thermodynamically unstable. Austenite that is cooled sufficiently rapidly to avoid higher temperature transformations, can form martensite, without any diffusion of either iron or carbon, by the deformation of the austenite's face centred crystal structure into a distorted body centred tetragonal or body centred cubic structure. This non equilibrium phase can only form at low temperatures, where the driving force for the reaction is sufficient to overcome the considerable lattice strain imposed by the transformation. The transformation is essentially time independent with the phase fraction depending only the degree of cooling below the critical martensite start temperature. Further, it occurs without the diffusion of either substitutional or interstitial atoms and so martensite inherits the composition of the parent austenite. Bainite occupies a region between these two process in a temperature range where iron self diffusion is limited but there is insufficient driving force to form martensite. The bainite, like martensite, grows without diffusion but some of the carbon then partitions into any residual austenite, or precipitates as cementite. A further distinction is often made between so called lower bainite, which forms at temperatures closer to the martensite start temperature, and upper bainite which forms at higher temperatures. This distinction arises from the diffusion rates of carbon at the temperature at which the bainite is forming. If the temperature is high then the carbon will diffuse rapidly away from the newly formed ferrite and form carbides in the carbon enriched residual austenite between the ferritic plates leaving them carbide free. At low temperatures the carbon will diffuse more sluggishly and may precipitate before it can leave the bainitic ferrite. There is some controversy over the specifics of bainite's transformation mechanism; both theories are represented below.
Морфология
Банит әдетте аустенит, мартенсит немесе цементитпен бөлінген феррит пластиналарының (элементтерінің) жиынтығы – «шоғырлар» түрінде көрінеді. Екі өлшемді кескіште қарағанда бұл элементтер бөлек сияқты көрінсе де, шындығында үш өлшемде бірімен-бірі байланысқан және көбінесе линза тәрізді пластина немесе жолақ морфологиясына ие. Өздерінің шоғырлар клин тәрізді пішіндес, ал қалың ұшы жаңару ошағымен байланысты. Феррит пластиналарының қалыңдығы трансформация температурасының артуымен бірге өседі. Нейрондық желілердің модельдері көрсеткендей, бұл температураның тікелей әсері емес, қайта реакцияның қозғаушы күшінің температураға тәуелділігі және пластиналарды қоршап тұрған аустениттің беріктігінің салдары.
Typically bainite manifests as aggregates, termed sheaves, of ferrite plates (sub units) separated by retained austenite, martensite or cementite. While the sub units appear separate when viewed on a 2 dimensional section they are in fact interconnected in 3 dimensions and usually take on a lenticular plate or lath morphology. The sheaves themselves are wedge shaped with the thicker end associated with the nucleation site. The thickness of the ferritic plates is found to increase with the transformation temperature. Neural network models have indicated that this is not a direct effect of the temperature per se but rather a result of the temperature dependence of the driving force for the reaction and the strength of the austenite surrounding the plates.
Төменгі банитит
Төменгі банитит 250 және 400 °C арасында қалыптасады және жоғарғы банититке қарағанда көбірек тақташа тәрізді болады. Төменгі баниттегі латтар арасында төмен бұрышты шекаралар шамалы ғана кездеседі. Төменгі банитте ферриттегі кристалдық жазықтық трансформация температурасы төмендеген сайын <111> бағытынан <110> бағытына қарай өзгереді.
Lower bainite forms between 250 and 400 °C and takes a more plate like form than upper bainite. There are not nearly as many low angle boundaries between laths in lower bainite. In lower bainite, the habit plane in ferrite will also shift from <111> towards <110> as transformation temperature decreases.
Мартенсит пен банититтің айырмашылығы
Банитті негізінен трансформация кезінде қататын мартенсит деп қарастыруға болады. Ол мартенситтен жоғары температурада түзіледі, тіпті соңғысы да өздігінен темперленеді. Трансформация температурасы жоғары болғандықтан, аустенит өзі механикалық тұрғыдан әлсіз болады, сондықтан банитке байланысты пішін өзгеруі көрші аустениттің пластикалық деформациясы арқылы жеңілдетіледі. Осының салдарынан, баниттің өсіп келе жатқан пластинасы, өсіп кетіп, аустенит түйіршелерінің шекарасына жетпес бұрын өсуін тоқтататын дислокациялардың тығыз орманмен бетпе-бет келеді. Сондықтан, баниттің пластиналары бірдей болаттағы мартенситтің пластиналарынан кішірек болуы мүмкін. Трансформация содан кейін жаңа пластиналардың тікелей ядролануын қамтитын кіші бірлік механизмі арқылы жүреді.
Bainite can essentially be regarded as martensite that tempers during the course of transformation. It forms at a higher temperature than martensite, and even the latter can autotemper. Because the transformation temperature is higher, the austenite itself is mechanically weak so that the shape deformation due to bainite is relaxed by the plastic deformation of the adjacent austenite. As a consequence, the growing plate of bainite is confronted by a forest of dislocations that eventually terminates its growth even before the plate has hit an austenite grain boundary. Plates of bainite can therefore be smaller than those of martensite in the same steel. The transformation then proceeds by a sub unit mechanism involving the successive nucleation of new plates.
Қолданбалар
Болаттағы банитит мөлшерінің артуымен қатар, банитит құрамы 50%-ға дейін қатаңдық, беріктік және созу беріктігі шамалы өзгермейді, ал одан кейін шамамен 30%-ға артады. Осы себепті Rolls Royce Holdings және Tata Steel компаниялары бір метрлік валдар мен жоғары банититті болаттан жасалған пластиналарды кең көлемде коммерциялық өндіріске шығарды. Теміржол өнеркәсібінде банитит болаты көбінесе ванадиймен қорытылып, өте жоғары беріктікке, тозуға және домалақ контактілі шаршауға төзімді рельстер жасалады. Corus компаниясы өндірген банитит рельстер 2006 жылы Ла-Манш туннеліне орнатылды және 3 жылдан кейін сол жастағы стандартты рельстердегідей жарықтар табылмады.
With increasing bainite content in steel, the hardness, yield and tensile strength remain almost constant for bainite content up to 50%, and then increase by ca. 30%. Hence meter size shafts and plates of high bainite steels have been commercially mass produced by Rolls Royce Holdings and Tata Steel. In the railway industry, bainite steel is commonly alloyed with vanadium to produce rails of very high strength, with good wear and rolling contact fatigue resistance. Bainite rails fabricated by Corus were installed in the Channel Tunnel in 2006, and after 3 years showed no evidence of the cracks found in standard rails of the same age.