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:
- в какой последовательности совершаются процессы γ → α-перестройки, перераспределения углерода и выделения карбидов;
- каков механизм образования феррита;
- 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
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