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.
Стали
FagerstaRAÄ2.jpg
Микроструктуры
Классы
Другие материалы на основе железа

Бейнит это пластинчатый микроструктура, формирующаяся в сталях при температурах 125–550 ° C (в зависимости от состава сплава).[1] Впервые описано Э. С. Давенпортом и Эдгар Бейн,[2] это один из продуктов, которые могут образовываться при аустенит (в гранецентрированная кубическая кристаллическая структура утюг ) охлаждается выше температуры, при которой он больше не является термодинамически стабильным по отношению к ферриту, цементиту или ферриту и цементиту. Давенпорт и Бейн первоначально описали микроструктуру как внешне похожую на закаленную мартенсит.

Бейнит с мелкой неламеллярной структурой обычно состоит из цементит и вывих -богатые феррит. Большая плотность дислокаций в феррите, присутствующем в бейните, и мелкий размер пластинок бейнита делают этот феррит более твердым, чем обычно.[3][4]

Диапазон температур превращения аустенита в бейнит (125–550 ° C) находится между перлит и мартенсит. Фактически, не существует принципиального нижнего предела для температуры начала бейнита.[1][5] 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.[6] Алюминий или кобальт являются исключением, поскольку они могут ускорять разложение аустенита и повышать температуру превращения.[7]

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. Однако существуют морфологические различия, требующие просвечивающий электронный микроскоп чтобы увидеть. Под оптический микроскоп микроструктура бейнита кажется более темной, чем не отпущенный мартенсит, поскольку у бейнита более субструктура.[8]

Твердость бейнита может быть между твердостью перлита и неотпущенного мартенсита в одной и той же стали. твердость. 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.[9]

История

В 1920-х годах Давенпорт и Бэйн открыли новую микроструктуру стали, которую они условно назвали мартенсит-трооститом, так как она занимает промежуточное положение между уже известными низкотемпературными мартенсит фаза и то, что тогда называлось трооститом (сейчас мелкоеперлит ).[6] Впоследствии эта микроструктура была названа бейнитом коллегами Бейна из United States Steel Corporation.[10] хотя научному сообществу потребовалось некоторое время, чтобы это название было принято в книгах только в 1947 году, в которых не упоминалось название бейнита.[6] Бейн и Давенпорт также отметили существование двух различных форм: бейнита «верхнего диапазона», который образовывался при более высоких температурах, и бейнита «нижнего диапазона», который образовывался около мартенсит температура начала (эти формы теперь известны как верхний и нижний бейнит соответственно). Ранняя терминология была еще больше сбита с толку из-за перекрытия в некоторых сплавах нижнего диапазона перлитной реакции и верхнего диапазона бейнита с дополнительной возможностью проэвтектоидного феррита.[6]

Формирование

Иллюстрация диаграммы преобразования непрерывного охлаждения (cct) для стального сплава

При температуре выше 900 ° C типичная низкоуглеродистая сталь полностью состоит из аустенит, высокотемпературная фаза железа, имеющая кубическую плотноупакованную кристаллическую структуру.[11] При охлаждении он имеет тенденцию превращаться в смесь фаз феррита и цементита, в зависимости от точного химического состава. Сталь эвтектоидного состава в условиях равновесия превратится в перлит - смесь чередующихся феррит и цементит (Fe3C). В дополнение к термодинамическим соображениям, указанным на фазовой диаграмме, фазовые превращения в стали сильно зависят от 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 сложности микроструктуры стали, на которую сильно влияет скорость охлаждения. Это можно проиллюстрировать преобразование непрерывного охлаждения (CCT) диаграмма, 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 данного термического цикла.

Если сталь охлаждается медленно или изотермически превращается при повышенных температурах, полученная микроструктура будет ближе к равновесной,[12] содержащие, например, аллотриоморфный феррит, цементит и перлит. Однако превращение аустенита в перлит - это зависящая от времени реконструктивная реакция, которая требует крупномасштабного перемещения 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.[13]

Аустенит, который охлаждается достаточно быстро, чтобы избежать высокотемпературных превращений, может образовывать мартенсит, без какой-либо диффузии железа или углерода за счет деформации аустенитной сосредоточенный на лице кристаллическая структура в искаженное Телоцентрированный тетрагональный или объемно-центрированная кубическая структура. 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, причем фазовая фракция зависит только от степени охлаждения ниже критической температуры начала мартенсита.[14] 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 конкретном 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 дисциплинированное движение атомов (а не хаотический перенос, связанный с диффузией),[15] и типичен для всех превращений смещения в сталях, например, мартенсита, бейнита и феррита Видманштеттена. С таким рельефом связана энергия деформации, которая приводит к пластинчатой ​​форме продукта превращения.[16] Любая диффузия является следствием бездиффузионного превращения аустенита, например, отделения углерода от пересыщенного бейнитного феррита или выделения 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.[17]
  • Дело в том, что избыток углерода удерживается внутри даже бездефектных участков бейнитного феррита.[18]
  • Дело в том, что элементарная ячейка бейнитного феррита может быть тетрагональной, а не кубической.[19][20][21][22]
  • 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.[23]
  • Очевидный факт, что смещения происходят при росте бейнита. Превращение представляет собой комбинацию деформации и изменения кристаллической структуры, как и мартенсит.[6]

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.[24]

Морфология

Обычно бейнит проявляется в виде агрегатов, называемых снопы, из ферритовых пластин (подразделения), разделенные остаточным аустенитом, мартенситом или цементитом.[25] В то время как 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.

Установлено, что толщина ферритных пластин увеличивается с увеличением температуры превращения.[26] Нейронная сеть модели показали, что это не прямое влияние температуры как таковое, а скорее результат температурной зависимости движущей силы реакции и прочности аустенита, окружающего пластины.[26] 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 планок феррита, которые примерно 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.[27]

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.[27]

Нижний бейнит

Нижний бейнит образуется при температуре от 250 до 400 ° C и требует более пластинчатый формы, чем верхний бейнит. В нижнем бейните не так много малоугловых границ между рейками. В нижнем бейните плоскость габитуса в феррите также сместится от <111> в сторону <110> при понижении температуры превращения.[27] В нижнем бейните цементит зарождается на стыке между феррит и аустенит.

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 на перлит после продолжительной задержки. Так было, несмотря на то, что полное превращение аустенита в перлит могло быть достигнуто при более высоких температурах, когда аустенит был более стабильный. 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.[28]

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.[29] 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 из бейнита могут быть меньше, чем из мартенсита в той же стали. Затем преобразование происходит по механизму субъединицы, включающему последовательное зарождение новых пластин.[30]

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 10%. 30%.[3] Следовательно, валы и листы метрового размера из высокобейнитных сталей производились серийно. Rolls-Royce Holdings и Тата Стил.[1]

Рекомендации

  1. ^ а б c Бхадешия, Х. К. Д. Х. (2013). «Первый объемный наноструктурированный металл». Наука и технология перспективных материалов. 14 (1): 014202. Bibcode:2013STAdM..14a4202B. Дои:10.1088/1468-6996/14/1/014202. ЧВК  5090568. PMID  27877550.
  2. ^ Бхадешия, H.K.D.H. (2010). «Персональный комментарий» о превращении аустенита при постоянных субкритических температурах"". Металлургические операции и операции с материалами A. 41 (6): 1351–1390. Bibcode:2010MMTA ... 41.1351B. Дои:10.1007 / s11661-010-0250-2.
  3. ^ а б Кумар, А .; Singh, S.B .; Рэй, К. (2008). «Влияние содержания бейнита / мартенсита на свойства растяжения низкоуглеродистых двухфазных сталей». Материаловедение и инженерия: A. 474 (1–2): 270–282. Дои:10.1016 / j.msea.2007.05.007.
  4. ^ Дюран-Шарр, Мадлен (2004). Микроструктура сталей и чугунов.. Springer. п.223. ISBN  978-3540209638.
  5. ^ Бхадешия, Х. К. Д. Х. (2005). «Твердый бейнит». В Howe, J. M .; и другие. (ред.). Твердофазные превращения в неорганических материалах. 1. С. 469–484.
  6. ^ а б c d е Бхадешия, H.K.D.H (2015). "Вступление". Бейнит в сталях. Институт материалов. ISBN  9781909662742.
  7. ^ Ааронсон Х.И., Домиан Х.А., Фунт Г.М. (1966). «Разделение легирующих элементов между аустенитом и доэвтектоидным ферритом или бейнитом». Металлургическое общество Американского института инженеров горной, металлургической и нефтяной промышленности - Сделки. 236 (5): 781–96.
  8. ^ Бхадешия, Х. К. Д. Х. «Интерпретация микроструктур стали». Phase-trans.msm.cam.ac.uk. Проверено 3 марта 2019.
  9. ^ Дэвис, Дж. Р. (1996). Справочник ASM по углеродистым и легированным сталям. ASM International.
  10. ^ Смит, Сирил Стэнли (1960). История металлографии. Издательство Чикагского университета. п. 225.
  11. ^ Бхадешия, Х. К. Д. Х. "Решетки Браве". Phase-trans.msm.cam.ac.uk. Проверено 3 марта 2019.
  12. ^ Бхадешия, Харшад К.Д.Х. (1998). «Альтернативы ферритно-перлитным микроструктурам». Форум материаловедения. 284-286: 39–50. Дои:10.4028 / www.scientific.net / MSF.284-286.39. S2CID  137968590.
  13. ^ Дюран-Шарр, Мадлен (2004). Микроструктура сталей и чугунов.. Springer. стр.195 –198. ISBN  978-3540209638.
  14. ^ Jena, A.K .; Чатурведи, М. (1992). «Глава 10». Фазовые превращения в материалах. Прентис-Холл. С. 408–409. ISBN  978-0-13-663055-5.
  15. ^ Swallow, E .; Бхадешия, Х. К. Д. Х. (1996). «Наблюдения с высоким разрешением смещений, вызванных бейнитным преобразованием». Материаловедение и технологии. 12 (2): 121–125. Дои:10.1179 / мст.1996.12.2.121.
  16. ^ Бхадешия, Х. К. Д. Х. (2017). «Атомный механизм превращения бейнита». Журнал HTM по термообработке и материалам. 72 (6): 340–345. Дои:10.3139/105.110338.
  17. ^ Кристиан, Дж. (1958). «Деформации аккомодации в образовании мартенсита и использование параметра дилатации». Acta Metallurgica. 6 (5): 377–379. Дои:10.1016/0001-6160(58)90077-4.
  18. ^ Caballero, F.G .; Миллер, М.К .; Garcia-Mateo, C .; Корнид, Дж. (2013). «Новое экспериментальное свидетельство бездиффузионной природы превращения бейнита». Журнал сплавов и соединений. 577: S626 – S630. Дои:10.1016 / j.jallcom.2012.02.130.
  19. ^ Чан, Джэ Хун; Bhadeshia, H.K.D.H .; Сух, Донг-Ву (2013). «Растворимость углерода в тетрагональном феррите в равновесии с аустенитом». Scripta Materialia. 68 (3–4): 195–198. Дои:10.1016 / j.scriptamat.2012.10.017.
  20. ^ Hulme-Smith, C.N .; Lonardelli, I .; Dippel, A.C .; Бхадешия, H.K.D.H. (2013). «Экспериментальные доказательства некубического бейнитного феррита». Scripta Materialia. 69 (5): 409–412. CiteSeerX  10.1.1.398.6559. Дои:10.1016 / j.scriptamat.2013.05.035.
  21. ^ Бхадешия, H.K.D.H. (2013). «Углерод в кубическом и тетрагональном феррите». Философский журнал. 93 (28–30): 3714–3725. Bibcode:2013PMag ... 93.3714B. Дои:10.1080/14786435.2013.775518. S2CID  16042031.
  22. ^ Hulme-Smith, C.N .; Peet, M. J .; Lonardelli, I .; Dippel, A.C .; Бхадешия, Х. К. Д. Х. (2015). «Еще одно доказательство тетрагональности бейнитного феррита». Материаловедение и технологии. 31 (2): 254–256. Дои:10.1179 / 1743284714Y.0000000691.
  23. ^ Shipway, P.H .; Бхадешия, Х. К. Д. Х. (1995). «Механическая стабилизация бейнита». Материаловедение и технологии. 11 (11): 1116–1128. Дои:10.1179 / мст.1995.11.11.1116.
  24. ^ Логинова И., Агрен Дж, Амберг Г. (2004). «Об образовании феррита Видманштеттена в бинарном Fe – C - фазовом подходе». Acta Materialia. 52 (13): 4055–4063. Дои:10.1016 / j.actamat.2004.05.033. Получено 15 апреля 2017.
  25. ^ Бхадешия, H.K.D.H (2001). «Глава 3: Бейнитный феррит». Бейнит в сталях. Институт материалов. С. 19–25. ISBN  978-1861251121.
  26. ^ а б Singh, S.B .; Бхадешия, H.K.D.H. (1998). «Оценка толщины бейнитных пластин в низколегированных сталях». Материаловедение и инженерия A. 245 (1): 72–79. Дои:10.1016 / S0921-5093 (97) 00701-6.
  27. ^ а б c Бхадешия, HKDH; Ханикомб, RWK (2017). Стали: микроструктура и свойства. ISBN  9780750680844.
  28. ^ Зинер, С (1946). «Кинетика разложения аустенита». Труды Американского института горных и металлургических инженеров. 167: 550–595.
  29. ^ «Мартенситное превращение в углеродистых сталях». Труды Лондонского королевского общества. Серия А. Математические и физические науки.. 259 (1296): 45–58. 1961. Дои:10.1098 / RSPA.1960.0210. S2CID  136685252.
  30. ^ Хехеманн РФ (1970). «Бейнитная реакция». Фазовые превращения. Огайо, США: Американское общество металлов. п. 397.

внешняя ссылка