Механизм бейнитного превращения

Бейнитное превращение включает следующие основные процессы: γ → α-перестройку решетки, перераспределение углерода, выделение карбида. Хотя бейнитное превращение было открыто более 40 лет назад, механизм его все еще остается дискуссионным.

Спорными являются следующие важные вопросы:

  1. в какой последовательности совершаются процессы γ → α-перестройки, перераспределения углерода и выделения карбидов;
  2. каков механизм образования феррита;
  3. из какой фазы (аустенита или феррита) преимущественно выделяется карбид.

Большинство исследователей считают, что во всем температурном интервале бейнитного превращения феррит образуется из аустенита по мартенситному механизму.

В пользу этого представления говорят следующие факты: образование рельефа на плоской полированной поверхности образца (при перлитном превращении рельеф не возникает), присутствие в легированных сталях остаточного аустенита после окончания бейнитного превращения (перлитное превращение всегда доходит до исчезновения аустенита), сходство микроструктур нижнего бейнита и отпущенного мартенсита, близость кристаллографии феррита в бейните и мартенсита, сходство субструктур верхнего бейнита и малоуглеродистого мартенсита.

Механизм бейнитного превращения, своеобразие его кинетики, близость и к перлитному, и к мартенситному превращениям можно объяснить следующим. Бейнитное превращение происходит при температурах ниже 500 — 450 °С, т. е. ниже порога рекристаллизации железа. Это означает, что в бейнитиом интервале практически полностью подавлено диффузионное перемещение атомов основного компонента — железа.

Поэтому становится невозможным образование феррита путем неупорядоченной γ → α-перестройки, т. е. подавляется перлитный распад. Но выше 200 — 250 °С еще достаточно активно идет диффузия углерода, которая делает возможным выделение карбида из аустенита и феррита. Р. И. Энтин считает, что в аустените, переохлажденном до температур промежуточного интервала, т. е. ниже 500 — 450 °С, но выше 200 — 250 °С, перераспределяется углерод: в одних местах образуются участки, богатые им, а в других — обедненные. Участки аустенита с низкой концентрацией углерода претерпевают мартенситное γ → α-превращение.

Кристаллы α-фазы образуются в промежуточном интервале температур путем когерентного роста при упругой связи с исходной γ-фазой, т. е. точно так, как растут пластины мартенсита при превращении ниже мартенситной точки Мн.

Но в отличие от чисто мартенситного превращения, для которого характерно «мгновенное» образование пластин мартенсита, при бейнитном превращении пластинки α-фазы растут сравнительно медленно. Это объясняется тем, что в промежуточном интервале температур α-фаза образуется из γ-фазы обедненной углеродом, и, следовательно, скорость роста кристаллов α-фазы контролируется скоростью диффузионного отвода атомов углерода.

Мартенситный механизм образования α-фазы при бейнитном превращении обусловливает появление рельефа на поверхности образца, игольчатый характер микроструктуры бейнита, возникновение кристаллогеометрической связи решеток α- и γ-фаз, присутствие остаточного аустенита.

В момент мартенситного превращения концентрация углерода не меняется, а изменяется только решетка и образуется пересыщенный α-раствор. Поэтому сейчас же после γ → α-превращения начинается выделение карбида (цементита или ε-карбида) из α-раствора, т. е. фактически происходит отпуск (смотрите Cтруктурные изменения при отпуске сталей).

В участках аустенита, которые перед γ → α-превращением обогатились углеродом, может выделиться карбид. При этом образуются обедненные углеродом участки аустенита, претерпевающие γ → α-мартенситное превращение. Последовательность процессов, происходящих в соответствии со схемой Р. И. Энтина при бейнитном превращении, показана на рисунке.


Одна из возможных схем бейнитного превращения

Одна из возможных схем бейнитного превращения


Согласно другим представлениям, углерод перераспределяется не до мартенситной γ → α-перестройки решетки, а сразу после нее: углерод обогащает прилегающие зоны аустенита и на границе α/γ из аустенита выделяется карбид.

Легирующие элементы, растворенные по способу замещения, не успевают перераспределиться при бейнитном превращении, и содержание их в феррите и аустените одинаково.

Разницу между строением верхнего и нижнего бейнита связывают с разной подвижностью углерода в верхней и нижней части температурного интервала бейнитнош превращения. Когда углерод менее подвижен, первичной является мартенситная γ → α-перестройка решетки, а вторичным процессом служит отпуск — выделение карбида внутри пересыщенного α-раствора. Так формируется структура нижнего бейнита. Предполагается, что при более высоких температурах карбид, как и феррит, зарождается прямо в аустените и образуется структура верхнего бейнита.

Термин «бейнитное превращение», первоначально предложенный при изучении изотермических превращений в сталях, впоследствии был распространен на некоторые цветные сплавы: β-латуни, алюминиевые и оловянные бронзы, титановые сплавы и др.

В латуни из β-фазы при охлаждении может выделяться α-фаза (смотрите рисунок Диаграмма состояния Cu — Zn). При небольших переохлаждениях α-фаза выделяется обычным диффузионным путем. При больших переохлаждениях, например ниже 350 °С в сплаве с 41% Zn, α-фаза образуется в виде тонких пластин, давая рельеф на полированной поверхности образца.

Пластины α-фазы состоят из регулярных рядов дефектов упаковки, как и мартенсит, который в β-латуни образуется при температурах ниже 0 °С. Ориентационное соотношение решеток аи β-фазы подобно ориентационному соотношению в латуни; испытавшей мартенситное превращение.

Вместе с тем от чисто мартенситного превращения рассматриваемое выделение пластин α-фазы качественно отличается тем, что происходит диффузионное перераспределение цинка: α-фаза содержит меньше цинка, чем исходная β-фаза. Указанные особенности позволили отнести образование пластинчатой α-фазы в переохлажденной β-латуни к бейнитным превращениям.

Согласно одному предположению, при бейнитном превращении в β-латуни сначала происходит бездиффузионная мартенситная перестройка решетки β → α, а затем — диффузионное перераспределение компонентов между α и β-фазами вслед за медленно продвигающейся границей α/β. Согласно другому предположению, первично перераспределение цинка в β-фазе, за которым следует мартенситная перестройка β → α в участках, обедненных цинком.

Выше мартенситная перестройка решетки рассматривалась как обязательный и важнейший процесс бейнитного превращения в сталях и латуни. Различия в трактовках касались главным образом последовательности процессов мартенситной перестройки и диффузионного перераспределения компонентов.

Существует и принципиально иная трактовка бейнитного превращения: оно рассматривается как эвтектоидный распад аустенита, отличающийся от перлитного непластинчатой формой ферритокарбидной смеси. Согласно такому представлению, выделение пластин α-фазы из β в латуни нельзя относить к бейнитным превращениям, так как в β-латуни нет эвтектоидного превращения (смотрите рисунок Диаграмма состояния Cu — Zn).

Отмечается, что сдвиговая, мартенситная перестройка не происходит при образовании бейнитного феррита. При этом подчеркивается, что поверхностный рельеф присущ не только мартенситным превращениям. Он был обнаружен, например, при чисто диффузионном выделении γ-фазы с г. п. решеткой в г.ц.к. растворе серебра в алюминии.

Считается также, что содержание углерода в феррите нижнего и верхнего бейнита находится между линиями PQ и метаетаби льным продолжением линии GP диаграммы состояния Fe — С, т. е. пересыщенность α-фазы углеродом невелика.

Отсюда следует вывод, что карбид выделяется главным образом из аустенита на границе α/γ. Это заключение не противоречит тому, что карбид наблюдается внутри феррита. Более того, оно помогает понять, почему частицы карбида внутри α-фазы часто вытянуты параллельно границе α/γ.

При образовании цепочек карбидных частиц на границе α/γ аустенит обедняется углеродом, термодинамический стимул превращения увеличивается и граница феррита продвигается в аустенит, оставляя за собой цепочку карбидов.

Перед продвигающейся ферритной границей в аустените накапливается углерод, снова выделяется цепочка карбидных частиц и процесс повторяется. В результате внутри феррита оказываются заключенными вытянутые ряды карбидных частиц, параллельные границе α/γ, хотя сам карбид выделялся не из феррита, а из аустенита (это не исключает выделения некоторого количества карбида из феррита).

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Охлаждение при закалке

Режим охлаждения при закалке должен прежде всего обеспечить необходимую глубину прокаливаемости. С другой стороны, режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали сильные закалочные напряжения, приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин. Закалочные напряжения складываются из термических и структурных напряжений. При закалке всегда возникает перепад температур по сечению изделия. Разная величина термического сжатия наружных…

Способы закалки

Так как нет такой закаливающей среды, которая давала бы быстрое охлаждение в интервале температур 650 — 400 °С и медленное охлаждение выше и главным образом ниже этого интервала, то применяют различные способы закалки, обеспечивающие необходимый режим охлаждения. Закалка через воду в масло Закалка через воду в масло (закалка в двух средах): 1 — нормальный режим;…

Закалка с обработкой холодом

Во многих сталях мартенситный интервал (Мн — Мк) простирается до отрицательных температур (смотрите рисунок Зависимость температур). В этом случае в закаленной стали содержится остаточный аустенит, который можно дополнительно превратить в мартенсит, охлаждая изделие до температур ниже комнатной. По существу такая обработка холодом (предложена в 1937 г. А. П. Гуляевым) продолжает закалочное охлаждение, прерванное при комнатной…

Поверхностный нагрев под закалку

Многие изделия должны иметь высокую поверхностную твердость, высокую прочность поверхностного слоя и вязкую сердцевину. Такое сочетание свойств на поверхности и внутри изделия достигается поверхностной закалкой. Для поверхностной закалки стального изделия необходимо нагреть выше точки Аc3 только поверхностный слой заданной толщины. Этот нагрев должен совершаться быстро и интенсивно, чтобы сердцевина вследствие теплопроводности также не прогрелась до…

Нагрев и охлаждение при закалке сталей

Сквозной нагрев под закалку Превращения в стали при нагревании описаны в Образовании аустенита при нагревании. Температуры нагрева под закалку углеродистых сталей можно выбрать по диаграмме состояния. Доэвтектоидные стали закаливают с температур, превышающих точку А3 на 30 — 50 °С. Наследственно мелкозернистая сталь допускает более высокий нагрев. При перегреве наследственно крупнозернистой стали закалка дает структуру крупноигольчатого…