Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
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
Фазы
Микроструктуры
Классы
Другие материалы на основе железа

Бейнит представляет собой пластинчатую микроструктуру, которая образуется в сталях при температурах 125–550 ° C (в зависимости от содержания сплава). [1] Впервые описанный Э. С. Давенпортом и Эдгаром Бейном , [2] это один из продуктов, который может образоваться, когда аустенит ( гранецентрированная кубическая кристаллическая структура железа ) охлаждается выше температуры, при которой он больше не является термодинамически стабильным с по отношению к ферриту, цементиту или ферриту и цементиту. 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. [3] [4]

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. [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, которые требуют просвечивающего электронного микроскопа . Под световым микроскопом микроструктура бейнита кажется более темной, чем неотпущенный мартенсит, потому что бейнит имеет более субструктуру. [8]

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. [9]

История [ править ]

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 ). [6] Эта микроструктура была впоследствии названа бейнитом коллегами Бейна из Стальной корпорации США [10], хотя потребовалось некоторое время, чтобы это название было принято научным сообществом с книгами 1947 года, в которых бейнит не упоминался. . [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 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. [6]

Формирование [ править ]

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. [11] 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 [12], содержащая, 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 гранецентрированной кристаллической структуры аустенита в искаженную объемноцентрированную тетрагональную или объемноцентрированную кубическую структуру. Эта неравновесная фаза может образовываться только при низких температурах, когда движущей силы реакции достаточно, чтобы преодолеть значительную деформацию решетки, вызванную превращением. Превращение по существу не зависит от времени, а фазовая доля 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 температурном диапазоне, 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, то углерод будет быстро диффундировать из 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 [ править ]

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) [15] и типичен для всех трансформаций смещения в сталях, например, мартенсите, бейните и феррите 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 задерживается 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 [ править ]

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 [ править ]

Обычно бейнит проявляется в виде агрегатов, называемых шкивами , ферритных пластин ( подузлов ), разделенных остаточным аустенитом, мартенситом или цементитом. [25] Хотя субъединицы кажутся отдельными при просмотре на 2-мерном сечении, на самом деле они взаимосвязаны в 3-х измерениях и обычно имеют линзовидную пластину или реечную морфологию. Сами связки имеют форму клина, причем более толстый конец связан с местом зародышеобразования.

Обнаружено, что толщина ферритных пластин увеличивается с увеличением температуры превращения. [26] Модели нейронных сетей показали, что это не прямой эффект температуры как таковой, 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 вырастать больше, прежде чем 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 [ править ]

«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. [27]

Количество цементита, образующегося между планками, зависит от содержания углерода в стали. Для низкоуглеродистой стали между планками обычно 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 [ править ]

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 смещается от <111> к <110> по мере снижения температуры превращения. [27] В нижнем бейните цементит зарождается на границе между ферритом и аустенитом .

Неполное преобразование [ править ]

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. [28]

Разница между мартенситом и бейнитом [ править ]

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 [ править ]

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 для содержания бейнита до 50%, а затем увеличиваются примерно на 2 часа. 30%. [3] Таким образом, валы и листы метрового размера из высокобейнитных сталей производились серийно компаниями Rolls-Royce Holdings и Tata Steel . [1]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Бхадешия, HKD H. (2013). «Первый объемный наноструктурированный металл» . Наука и технология перспективных материалов . 14 (1): 014202. Bibcode : 2013STAdM..14a4202B . DOI : 10.1088 / 1468-6996 / 14/1/014202 . PMC  5090568 . PMID  27877550 .
  2. ^ Bhadeshia, HKDH (2010). «Персональный комментарий к« Превращению аустенита при постоянных субкритических температурах » » . Металлургическая и Транзакции материалов A . 41 (6): 1351–1390. Bibcode : 2010MMTA ... 41.1351B . DOI : 10.1007 / s11661-010-0250-2 .
  3. ^ а б Кумар, А .; Сингх, SB; Рэй, К.К. (2008). «Влияние содержания бейнита / мартенсита на свойства растяжения низкоуглеродистых двухфазных сталей». Материалы Наука и техника: A . 474 (1–2): 270–282. DOI : 10.1016 / j.msea.2007.05.007 .
  4. ^ Дюран-Charre, Мадлен (2004). Микроструктура сталей и чугунов . Springer. п. 223 . ISBN 978-3540209638.
  5. ^ Bhadeshia, HKDH (2005). «Твердый бейнит» . В Howe, JM; и другие. (ред.). Твердофазные превращения в неорганических материалах . 1 . С. 469–484.
  6. ^ а б в г д Бхадешия, HKDH (2015). «Введение» . Бейнит в сталях . Институт материалов. ISBN 9781909662742.
  7. ^ Ааронсона HI, Domian HA, фунт GM (1966). «Разделение легирующих элементов между аустенитом и доэвтектоидным ферритом или бейнитом». Металлургическое общество Американского института горных, металлургических и нефтяных инженеров - Сделки . 236 (5): 781–96.
  8. ^ Bhadeshia, HKDH "Интерпретация стальных микроструктур" . Phase-trans.msm.cam.ac.uk. Проверено 3 марта 2019.
  9. Перейти ↑ Davis, JR (1996). Справочник ASM по углеродистым и легированным сталям . ASM International.
  10. ^ Смит, Сирил Стэнли (1960). История металлографии . Издательство Чикагского университета. п. 225.
  11. ^ Bhadeshia, HKDH "Решетки Браве" . Phase-trans.msm.cam.ac.uk. Проверено 3 марта 2019.
  12. ^ Bhadeshia, Harshad KDH (1998). «Альтернативы ферритно-перлитным микроструктурам» . Форум по материаловедению . 284–286: 39–50. DOI : 10,4028 / www.scientific.net / MSF.284-286.39 . S2CID 137968590 . 
  13. ^ Дюран-Charre, Мадлен (2004). Микроструктура сталей и чугунов . Springer. стр.  195 -198. ISBN 978-3540209638.
  14. ^ Йена, AK; Чатурведи, MC (1992). «Глава 10». Фазовые превращения в материалах . Прентис-Холл. С. 408–409. ISBN 978-0-13-663055-5.
  15. ^ Ласточка, E .; Бхадешия, HKDH (1996). «Наблюдения с высоким разрешением смещений, вызванных бейнитным преобразованием» . Материаловедение и технологии . 12 (2): 121–125. DOI : 10.1179 / mst.1996.12.2.121 .
  16. ^ Bhadeshia, HKDH (2017). «Атомный механизм превращения бейнита» . Журнал HTM по термообработке и материалам . 72 (6): 340–345. DOI : 10.3139 / 105.110338 .
  17. ^ Кристиан, JW (1958). «Деформации аккомодации в образовании мартенсита и использование параметра дилатации». Acta Metallurgica . 6 (5): 377–379. DOI : 10.1016 / 0001-6160 (58) 90077-4 .
  18. ^ Кабальеро, ФГ; Миллер, МК; Garcia-Mateo, C .; Корнид, Дж. (2013). «Новое экспериментальное свидетельство бездиффузионной природы превращения бейнита». Журнал сплавов и соединений . 577 : S626 – S630. DOI : 10.1016 / j.jallcom.2012.02.130 .
  19. ↑ Чан, Джэ Хун; Бхадешия, HKDH; Сух, Донг-Ву (2013). «Растворимость углерода в тетрагональном феррите в равновесии с аустенитом» . Scripta Materialia . 68 (3–4): 195–198. DOI : 10.1016 / j.scriptamat.2012.10.017 .
  20. ^ Халм-Смит, CN; Lonardelli, I .; Диппель, AC; Бхадешия, Гонконг (2013). «Экспериментальное подтверждение некубического бейнитного феррита» . Scripta Materialia . 69 (5): 409–412. CiteSeerX 10.1.1.398.6559 . DOI : 10.1016 / j.scriptamat.2013.05.035 . 
  21. ^ Bhadeshia, HKDH (2013). «Углерод в кубическом и тетрагональном феррите» . Философский журнал . 93 (28–30): 3714–3725. Bibcode : 2013PMag ... 93.3714B . DOI : 10.1080 / 14786435.2013.775518 . S2CID 16042031 . 
  22. ^ Халм-Смит, CN; Пит, MJ; Lonardelli, I .; Диппель, AC; Бхадешия, HKDH (2015). «Еще одно доказательство тетрагональности бейнитного феррита» . Материаловедение и технологии . 31 (2): 254–256. DOI : 10.1179 / 1743284714Y.0000000691 .
  23. ^ Шипвей, PH; Бхадешия, HKDH (1995). «Механическая стабилизация бейнита» . Материаловедение и технологии . 11 (11): 1116–1128. DOI : 10.1179 / mst.1995.11.11.1116 .
  24. ^ Логинова I, J Агрен, Amberg G (2004). «Об образовании феррита Видманштеттена в подходе бинарного Fe – C - фазовое поле» . Acta Materialia . 52 (13): 4055–4063. DOI : 10.1016 / j.actamat.2004.05.033 . Проверено 15 апр 2017 .
  25. ^ Bhadeshia, HKDH (2001). «Глава 3: Бейнитный феррит». Бейнит в сталях . Институт материалов. С. 19–25. ISBN 978-1861251121.
  26. ^ а б Сингх, SB; Бхадешия, HKDH (1998). «Оценка толщины бейнитных пластин в низколегированных сталях». Материаловедение и инжиниринг . 245 (1): 72–79. DOI : 10.1016 / S0921-5093 (97) 00701-6 .
  27. ^ a b c Бадешия, Гонконг; Ханикомб, RWK (2017). Стали: микроструктура и свойства . ISBN 9780750680844.
  28. Перейти ↑ Zener, C (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. DOI : 10.1098 / rspa.1960.0210 . S2CID 136685252 . 
  30. ^ Hehemann РФ (1970). «Бейнитная реакция». Фазовые превращения . Огайо, США: Американское общество металлов. п. 397.

Внешние ссылки [ править ]

  • Бесплатные учебники по бейниту , все три издания.
  • Легирующие элементы в стали, Эдгар К. Бейн
  • Обзор Bainite на нескольких языках
  • Оригинальная статья Давенпорта и Бэйна
  • Первый в мире объемный наноструктурированный металл