Пластинчатая микроструктура в сталях: байнит.

Введение

Пластинчатая микроструктура в сталях

Бэнит – это пластинчатая микроструктура, которая формируется в сталях при температурах 125–550 °C (в зависимости от содержания легирующих элементов). Он является одним из продуктов, который может образовываться при охлаждении аустенита (объемно-центрированной кубической кристаллической структуры железа) ниже температуры, при которой он перестает быть термодинамически стабильным по отношению к ферриту, цементиту или ферриту и цементиту. Давенпорт и Бэйн первоначально описали эту микроструктуру как внешне схожую с закаленным мартенситом. Бэнит имеет тонкую, неламеллярную структуру и обычно состоит из цементита и феррита, обогащенного дислокациями. Высокая плотность дислокаций в феррите, присутствующем в бэните, и малый размер пластин банита делают этот феррит более твердым, чем обычно. Температурный диапазон превращения аустенита в банит (125–550 °C) лежит между диапазонами для перлита и мартенсита. Фактически, не существует принципиального нижнего предела температуры начала образования банита. При непрерывном охлаждении скорость охлаждения, необходимая для образования банита, выше, чем для образования перлита, но ниже, чем для образования мартенсита (в сталях одного и того же состава). Большинство легирующих элементов замедляют образование банита, хотя углерод является наиболее эффективным в этом отношении. Микроструктуры мартенсита и банита на первый взгляд кажутся довольно похожими, состоящими из тонких пластин, которые в низколегированных сталях склонны группироваться. Это связано с тем, что обе микроструктуры имеют много общего в механизмах их образования. Однако существуют морфологические различия, для выявления которых требуется просвечивающий электронный микроскоп. Под световым микроскопом микроструктура банита выглядит темнее, чем необработанный мартенсит, из-за большего количества подструктуры в баните. Твердость банита может находиться в диапазоне между твердостью перлита и необработанного мартенсита в одной и той же стали. Возможность получения банита как при изотермическом, так и при непрерывном охлаждении является значительным преимуществом, поскольку это облегчает производство крупных деталей без чрезмерного добавления легирующих элементов. В отличие от мартенситных сталей, сплавы на основе банита часто не требуют дополнительной термической обработки после образования для оптимизации прочности и пластичности.

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.

История

В 1920-х годах Давенпорт и Бейн обнаружили новую стальную микроструктуру, которую они предварительно назвали мартенситным трооститом, поскольку она занимала промежуточное положение между уже известной мартенситной фазой низкой температуры и тем, что тогда называлось трооститом (в настоящее время – тонкий перлит). Позднее эта микроструктура была названа байнитом коллегами Бейна из United States Steel Corporation, хотя научному сообществу потребовалось время, чтобы принять это название, и в книгах, изданных вплоть до 1947 года, байнит не упоминался. При охлаждении она, как правило, преобразуется в смесь фаз – феррит и цементит, в зависимости от точного химического состава. Сталь эвтектоидного состава в условиях равновесия преобразуется в перлит – чередующуюся смесь феррита и цементита (Fe3C). Помимо термодинамических соображений, отраженных на фазовой диаграмме, на фазовые превращения в стали оказывает значительное влияние химическая кинетика. Это связано с тем, что диффузия атомов железа становится затруднительной ниже примерно 600 °C в типичных условиях обработки. Как следствие, при ограниченной атомной подвижности формируется сложный набор микроструктур. Это обуславливает сложность стальных микроструктур, на которые сильно влияет скорость охлаждения. Это можно проиллюстрировать диаграммой непрерывного охлаждения (CCT), которая показывает время, необходимое для формирования фазы при охлаждении образца с определенной скоростью, тем самым определяя области на диаграмме температура-время, из которых можно вывести ожидаемые фазовые фракции для заданного теплового цикла. Если сталь охлаждается медленно или изотермически преобразуется при повышенных температурах, то получаемая микроструктура будет ближе к равновесной, содержащей, например, аллотриоморфный феррит, цементит и перлит. Однако превращение аустенита в перлит – это зависимая от времени реконструктивная реакция, требующая масштабного перемещения атомов железа и углерода. В то время как интерстициальный углерод легко диффундирует даже при умеренных температурах, самодиффузия железа становится крайне медленной при температурах ниже 600 °C, пока практически не прекращается. В результате быстро охлаждаемая сталь может достичь температуры, при которой образование перлита становится невозможным, несмотря на неполноту реакции и термодинамическую нестабильность остающегося аустенита. Аустенит, охлаждаемый достаточно быстро, чтобы избежать превращений при более высоких температурах, может образовать мартенсит без диффузии ни железа, ни углерода, посредством деформации гранецентрированной кристаллической структуры аустенита в искаженную объемноцентрированную тетрагональную или кубическую структуру. Эта неравновесная фаза может формироваться только при низких температурах, когда движущая сила реакции достаточна для преодоления значительных напряжений решетки, возникающих при превращении. Превращение по существу не зависит от времени, а фазовая доля определяется только степенью охлаждения ниже критической температуры начала мартенситного превращения. Более того, оно происходит без диффузии замещающих или интерстициальных атомов, поэтому мартенсит наследует состав исходного аустенита. Байнит занимает область между этими двумя процессами в температурном диапазоне, где самодиффузия железа ограничена, но движущей силы для образования мартенсита недостаточно. Байнит, как и мартенсит, растет без диффузии, но часть углерода затем распределяется по остаточному аустениту или осаждается в виде цементита. Часто делается дальнейшее различие между так называемым нижним байнитом, который образуется при температурах, близких к начальной температуре мартенсита, и верхним байнитом, который образуется при более высоких температурах. Это различие обусловлено скоростью диффузии углерода при температуре образования байнита. Если температура высока, то углерод быстро диффундирует из вновь образовавшегося феррита и образует карбиды в обогащенном углеродом остаточном аустените между ферритными пластинами, оставляя их свободными от карбидов. При низких температурах диффузия углерода происходит медленнее, и он может осаждаться до того, как покинет байнитный феррит. Существуют некоторые разногласия относительно конкретных механизмов превращения байнита; обе теории представлены ниже.

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

Как правило, банит проявляется в виде агрегатов, называемых снопами, состоящих из ферритных пластин (субъединиц), разделенных остаточным аустенитом, мартенситом или цементитом. Хотя субъединицы кажутся отдельными при рассмотрении на двухмерном сечении, на самом деле они соединены между собой в трех измерениях и обычно имеют линзовидную или пластинчатую морфологию. Сами снопы имеют клиновидную форму, при этом более толстый конец связан с местом зародышеобразования. Толщина ферритных пластин увеличивается с повышением температуры фазового перехода. Модели нейронных сетей показали, что это не является прямым следствием температуры как таковой, а скорее обусловлено температурной зависимостью движущей силы реакции и прочностью окружающего пластины аустенита.

Нижний бэйнит

Нижний банит образуется в диапазоне температур от 250 до 400 °C и имеет более пластинчатую структуру, чем верхний банит. Количество границ с малыми углами между пластинами в нижнем баните значительно меньше. В нижнем баните плоскость роста в феррите также смещается от <111> к <110> с понижением температуры фазового превращения.

Разница между мартенситом и банитом

Банит по сути можно рассматривать как мартенсит, самоотпуск которого происходит в процессе превращения. Он формируется при более высокой температуре, чем мартенсит, и даже последний может подвергаться самоотпуску. Поскольку температура превращения выше, аустенит сам по себе механически слаб, поэтому деформация формы, вызванная банитом, расслабляется за счет пластической деформации соседнего аустенита. В результате, растущая пластина банита сталкивается с множеством дислокаций, которые в конечном итоге останавливают ее рост, даже прежде чем пластина достигнет границы зерна аустенита. Поэтому пластины банита могут быть меньше, чем пластины мартенсита в той же стали. Затем превращение происходит посредством механизма субъединиц, включающего последовательную нуклеацию новых пластин.

Приложения

При увеличении содержания баинита в стали твердость, предел текучести и прочность на разрыв остаются почти постоянными при содержании баинита до 50%, а затем увеличиваются примерно на 30%. Поэтому валы и пластины из высокобаинитной стали серийно выпускаются компаниями Rolls Royce Holdings и Tata Steel. В железнодорожной отрасли баинитная сталь обычно легируется ванадием для производства рельсов с очень высокой прочностью, обладающих хорошей износостойкостью и сопротивлением усталости при контактном нагружении. Рельсы из баинита, изготовленные компанией Corus, были установлены в Евротоннеле в 2006 году, и по истечении 3 лет не показали признаков трещин, обнаруженных в стандартных рельсах того же возраста.