Бейнит
| Стали |
|---|
 |
| Фазы |
| Микроструктуры |
| Классы |
| Другие материалы на основе железа |
Бейнит — пластинчатая микроструктура, образующаяся в сталях при температуре 125–550 °С (в зависимости от содержания сплава). [1] Впервые описано Э. С. Давенпортом и Эдгаром Бэйном . [2] [3] это один из продуктов, который может образоваться, когда аустенит ( гранецентрированная кубическая кристаллическая структура железа ) охлаждается до температуры, при которой он перестает быть термодинамически стабильным по отношению к ферриту , цементиту или ферриту и цементиту. Давенпорт и Бейн первоначально описали микроструктуру как похожую по внешнему виду на отпущенный мартенсит .
Бейнит имеет тонкую непластинчатую структуру и обычно состоит из цементита и дислокациями богатого феррита . Большая плотность дислокаций в феррите, присутствующем в бейните, и мелкий размер пластинок бейнита делают этот феррит более твердым, чем обычно. [4] [5]
Диапазон температур превращения аустенита в бейнит (125–550 °С) находится между таковыми для перлита и мартенсита. Фактически не существует фундаментального нижнего предела температуры начала бейнита. [1] [6] При образовании при непрерывном охлаждении скорость охлаждения для образования бейнита выше, чем скорость, необходимая для образования перлита, но менее быстрая, чем требуется для образования мартенсита (в сталях того же состава). Большинство легирующих элементов замедляют образование бейнита, хотя наиболее эффективным в этом отношении является углерод. [7] Алюминий и кобальт являются исключениями, поскольку они могут ускорить распад аустенита и повысить температуру превращения. [8]
Микроструктуры мартенсита и бейнита на первый взгляд кажутся весьма схожими: они состоят из тонких пластинок, которые в низколегированных сталях группируются вместе. Это является следствием того, что две микроструктуры имеют общие аспекты механизмов трансформации. Однако существуют морфологические различия, которых требуется просвечивающий электронный микроскоп для просмотра . Под световым микроскопом микроструктура бейнита кажется темнее, чем неотпущенного мартенсита, поскольку в бейните больше субструктуры. [9]
Твердость бейнита может находиться между твердостью перлита и неотпущенного мартенсита при одинаковой твердости стали . Тот факт, что его можно производить как при изотермическом, так и при непрерывном охлаждении, является большим преимуществом, поскольку это облегчает производство крупных деталей без чрезмерных добавок легирующих элементов. В отличие от мартенситных сталей, сплавы на основе бейнита часто не требуют дальнейшей термической обработки после превращения с целью оптимизации прочности и ударной вязкости. [10]
История
[ редактировать ]В 1920-х годах Давенпорт и Бейн обнаружили новую микроструктуру стали, которую они условно назвали мартенсит-троостит, поскольку она занимала промежуточное положение между уже известной низкотемпературной мартенситной фазой и тем, что тогда было известно как троостит (ныне мелкоперлитный ) . [7] Эту микроструктуру впоследствии коллеги Бэйна из United States Steel Corporation назвали бейнитом. [11] хотя потребовалось некоторое время, чтобы это название было принято научным сообществом, поскольку еще в 1947 году в книгах не упоминалось бейнит по имени. [7]
Бэйн и Давенпорт также отметили существование двух различных форм: бейнита «верхнего диапазона», который образуется при более высоких температурах, и бейнита «нижнего диапазона», который образуется вблизи температуры начала мартенсита (эти формы теперь известны как верхний и нижний бейнит). соответственно). Ранняя терминология еще больше запутывалась из-за перекрытия в некоторых сплавах нижнего диапазона перлитной реакции и верхнего диапазона бейнита с дополнительной возможностью образования доэвтектоидного феррита. [7]
Формирование
[ редактировать ]
При температуре выше примерно 900 °C типичная низкоуглеродистая сталь полностью состоит из аустенита , высокотемпературной фазы железа, имеющей кубическую плотноупакованную кристаллическую структуру. [12] При охлаждении он имеет тенденцию превращаться в смесь фаз феррита и цементита, в зависимости от точного химического состава. Сталь эвтектоидного состава в равновесных условиях преобразуется в перлит – переплетенную смесь феррита и цементита (Fe 3 C) . 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, при ограничении подвижности атомов возникает сложный массив микроструктур. Это приводит к усложнению микроструктуры стали, на которую сильно влияет скорость охлаждения. Это можно проиллюстрировать диаграммой превращения при непрерывном охлаждении (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 заданный тепловой цикл.
Если сталь охлаждать медленно или изотермически превращать при повышенных температурах, то полученная микроструктура будет ближе к равновесной, [13] содержащие, например, аллотриоморфный феррит, цементит и перлит. Однако превращение аустенита в перлит представляет собой реконструктивную реакцию, зависящую от времени, 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, пока практически не прекращается. Как следствие, быстро охлажденная сталь может достичь температуры, при которой перлит больше не может образовываться, несмотря на то, что реакция незавершена, а оставшийся аустенит термодинамически нестабильен. [14]
Аустенит, который охлаждается достаточно быстро, чтобы избежать более высоких температурных 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 образоваться только при низких температурах, когда движущей силы реакции достаточно, чтобы преодолеть значительную деформацию решетки, вызванную превращением. Превращение практически не зависит от времени, при этом доля фаз зависит только от степени охлаждения ниже критической температуры начала мартенсита. [15] 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, где самодиффузия железа ограничена, но движущей силы недостаточно для образования мартенсита. Бейнит, как и мартенсит, растет без диффузии, но некоторая часть углерода затем распадается на остаточный аустенит или выделяется в виде цементита. Дальнейшее различие часто проводится 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 скорости диффузии углерода при температуре, при которой образуется бейнит. Если температура высокая, углерод будет быстро диффундировать из вновь образовавшегося 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 выпасть в осадок, прежде чем он сможет покинуть бейнитный феррит. Существуют некоторые разногласия по поводу особенностей механизма превращения бейнита; обе теории представлены ниже.
Смещающая теория
[ редактировать ]Одна из теорий конкретного механизма образования бейнита состоит в том, что он происходит путем сдвигового превращения, как и в мартенсите. Изменение кристаллической структуры достигается за счет деформации, а не диффузии. Изменение формы, связанное с бейнитом, представляет собой инвариант — плоскую деформацию с большой сдвиговой составляющей. Этот вид деформации подразумевает дисциплинированное движение атомов (а не хаотичный перенос, связанный с диффузией). [16] и характерно для всех смещающих превращений в сталях, например мартенсите, бейните и феррите Видманштеттена. С таким рельефом связана энергия деформации, приводящая к пластинчатой форме продукта превращения. [17] Любая диффузия является следствием бездиффузионного превращения аустенита, например, отделения углерода от пересыщенного бейнитного феррита или выделения карбидов; это аналогично отпуску мартенсита.
Есть много особенностей бейнита, которые правильно предсказаны этой теорией, в том числе:
- форму пластины, что является следствием минимизации энергии деформации за счет деформации формы, сопровождающей трансформацию. [18]
- Дело в том, что избыток углерода сохраняется внутри даже бездефектных участков бейнитного феррита. [19]
- Дело в том, что элементарная ячейка бейнитного феррита может быть не кубической, а тетрагональной. [20] [21] [22] [23]
- Тот факт, что бейнитное превращение может резко замедлиться, когда аустенит впервые пластически деформируется, - явление, известное как механическая стабилизация, которое уникально для смещающих превращений. [24]
- Очевиден тот факт, что смещения происходят при росте бейнита. Превращение представляет собой сочетание деформации и изменения кристаллической структуры, как и мартенсит. [7]
Диффузионная теория
[ редактировать ]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. Распространенным заблуждением является то, что этот механизм исключает возможность наличия согласованных границ раздела и рельефа поверхности. Фактически, некоторые считают, что образование видманштеттенского феррита контролируется диффузией углерода и действительно имеет аналогичный рельеф поверхности. [25]
Морфология
[ редактировать ]Обычно бейнит проявляется в виде агрегатов, называемых связками , из ферритовых пластин ( субъединиц ), разделенных остаточным аустенитом, мартенситом или цементитом. [26] Хотя субъединицы кажутся отдельными, если смотреть на двухмерный разрез, на самом деле они связаны между собой в трех измерениях и обычно принимают морфологию двояковыпуклой пластины или реечки. Сами пучки имеют клиновидную форму, более толстый конец связан с местом зародышеобразования.
Установлено, что толщина ферритных пластин увеличивается с температурой превращения. [27] Модели нейронных сетей показали, что это не прямое влияние температуры как таковое, а скорее результат температурной зависимости движущей силы реакции и прочности аустенита, окружающего пластины. [27] При более высоких температурах и, следовательно, меньшем переохлаждении уменьшенная термодинамическая движущая сила вызывает снижение скорости зародышеобразования, что позволяет отдельным пластинам увеличиваться в размерах, прежде чем они физически столкнутся друг с другом. Кроме того, рост пластин должен компенсироваться пластическим течением в окружающем аустените, что затруднительно, если аустенит прочен и сопротивляется росту пластины.
Верхний бейнит
[ редактировать ]«Верхний бейнит» образуется в связках при температуре около 400–550 °C. Эти шкивы содержат несколько пластинок феррита, которые примерно параллельны друг другу и демонстрируют связь Курдюмова-Сакса с окружающим аустенитом, хотя эта связь ухудшается с понижением температуры превращения. Феррит в этих блоках имеет концентрацию углерода ниже 0,03%, что приводит к образованию богатого углеродом аустенита вокруг реек. [28]
Количество цементита, образующегося между рейками, зависит от содержания углерода в стали. Для низкоуглеродистой стали между планками обычно присутствуют прерывистые «стринги» или небольшие частицы цементита. Для стали с более высоким содержанием углерода стрингеры становятся непрерывными по длине соседних реек. [28]
Нижний бейнит
[ редактировать ]Нижний бейнит образуется при температуре от 250 до 400 °C и принимает более пластинчатую форму, чем верхний бейнит. В нижнем бейните не так много пологих угловых границ между рейками. В нижнем бейните плоскость габитуса феррита также будет смещаться от <111> к <110> по мере снижения температуры превращения. [28] В нижнем бейните цементит зарождается на границе раздела феррита и аустенита .
Неполная трансформация
[ редактировать ]В данном контексте «неполное превращение» относится к тому факту, что в отсутствие выделения карбидов бейнитная реакция прекращается задолго до того, как аустенит достигнет своего равновесного или параравновесного химического состава. Оно останавливается в момент, когда 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 превращается в бейнит, а остальная часть после длительной задержки разлагается до перлита. Это имело место, несмотря на то, что полное превращение аустенита в перлит могло быть достигнуто при более высоких температурах, когда аустенит был более стабильным. Доля бейнита, которая могла образоваться, увеличивалась с понижением температуры. В конечном итоге это было объяснено тем фактом, что при образовании бейнитного феррита пересыщенный углерод будет вытеснен в окружающий аустенит, тем самым термодинамически стабилизируя его от дальнейшего преобразования. [29]
Разница между мартенситом и бейнитом
[ редактировать ]Бейнит по существу можно рассматривать как мартенсит, который закаляется в ходе превращения. Он образуется при более высокой температуре, чем мартенсит, и даже последний может подвергаться самоотпуску. [30] Поскольку температура превращения выше, аустенит сам по себе является механически слабым, поэтому деформация формы, вызванная бейнитом, ослабляется пластической деформацией соседнего аустенита. Как следствие, растущая пластина бейнита сталкивается с лесом дислокаций, который в конечном итоге прекращает ее рост еще до того, как пластина достигнет границы зерна аустенита. Поэтому пластины бейнита могут быть меньше, чем пластины мартенсита той же стали. Затем трансформация протекает по субъединичному механизму, включающему последовательное зарождение новых пластин. [31]
Приложения
[ редактировать ]
С увеличением содержания бейнита в стали твердость, текучесть и предел прочности остаются практически постоянными при содержании бейнита до 50 %, а затем возрастают примерно на 10%. 30%. [4] Поэтому валы и пластины метровых размеров из стали с высоким содержанием бейнита стали серийно производиться компаниями Rolls-Royce Holdings и Tata Steel . [1]
В железнодорожной отрасли бейнитную сталь обычно легируют ванадием для получения рельсов очень высокой прочности, с хорошей износостойкостью и сопротивлением контактной усталости при качении . Бейнитовые рельсы, изготовленные компанией Corus, были установлены в туннеле под Ла-Маншем в 2006 году, и через 3 года не было обнаружено никаких признаков трещин, обнаруженных в стандартных рельсах того же возраста. [32]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Бхадешиа, Гонконг (2013). «Первый объемный наноструктурированный металл» . Наука и технология перспективных материалов . 14 (1): 014202. Бибкод : 2013STAdM..14a4202B . дои : 10.1088/1468-6996/14/1/014202 . ПМК 5090568 . ПМИД 27877550 .
- ^ Бхадешиа, Гонконг (2010). «Личный комментарий к книге «Превращение аустенита при постоянных докритических температурах» » . Металлургические и сырьевые операции А . 41 (6): 1351–1390. Бибкод : 2010MMTA...41.1351B . дои : 10.1007/s11661-010-0250-2 .
- ^ Бхадешиа, Гонконг (2023 г.). Теория превращений сталей (PDF) . Тейлор и Фрэнсис. стр. 1–600. ISBN 978-0-367-51808-0 .
- ^ Jump up to: а б Кумар, А.; Сингх, С.Б.; Рэй, К.К. (2008). «Влияние содержания бейнита/мартенсита на свойства при растяжении низкоуглеродистых двухфазных сталей». Материаловедение и инженерия: А. 474 (1–2): 270–282. дои : 10.1016/j.msea.2007.05.007 .
- ^ Дюран-Шарр, Мадлен (2004). Микроструктура сталей и чугунов . Спрингер. п. 223 . ISBN 978-3540209638 .
- ^ Бхадешиа, Гонконг (2005). «Твёрдый бейнит» . Ин Хоу, Дж. М.; и др. (ред.). Твердофазные превращения в неорганических материалах . Том. 1. С. 469–484.
- ^ Jump up to: а б с д и Бхадешиа, Гонконг (2015). "Введение" . Бейнит в сталях . Институт материалов. ISBN 9781909662742 .
- ^ Ааронсон Х.И., Домиан Х.А., Паунд GM (1966). «Распределение легирующих элементов между аустенитом и доэвтектоидным ферритом или бейнитом». Металлургическое общество Американского института горных, металлургических и нефтяных инженеров – Сделки . 236 (5): 781–96.
- ^ Бхадешиа, HKDH «Интерпретация стальных микроструктур» . Phase-trans.msm.cam.ac.uk. Проверено 3 марта 2019 г.
- ^ Дэвис, младший (1996). Справочник ASM по углеродистым и легированным сталям . АСМ Интернешнл.
- ^ Смит, Сирил Стэнли (1960). История металлографии . Издательство Чикагского университета. п. 225.
- ^ Бхадешиа, HKDH «Решетки Браве» . Phase-trans.msm.cam.ac.uk. Проверено 3 марта 2019 г.
- ^ Бхадешиа, Харшад КДХ (1998). «Альтернативы ферритно-перлитным микроструктурам» . Форум по материаловедению . 284–286: 39–50. doi : 10.4028/www.scientific.net/MSF.284-286.39 . S2CID 137968590 .
- ^ Дюран-Шарр, Мадлен (2004). Микроструктура сталей и чугунов . Спрингер. стр. 195–198 . ISBN 978-3540209638 .
- ^ Йена, АК; Чатурведи, MC (1992). «Гл. 10». Фазовые превращения в материалах . Прентис-Холл. стр. 408–409. ISBN 978-0-13-663055-5 .
- ^ Ласточка, Э.; Бхадешиа, Гонконг (1996). «Наблюдения с высоким разрешением смещений, вызванных бейнитной трансформацией» . Материаловедение и технологии . 12 (2): 121–125. Бибкод : 1996МатСТ..12..121С . дои : 10.1179/mst.1996.12.2.121 .
- ^ Бхадешиа, Гонконг (2017). «Атомный механизм бейнитного превращения» . HTM Журнал термической обработки и материалов . 72 (6): 340–345. Бибкод : 2017HJHTM..72..340B . дои : 10.3139/105.110338 .
- ^ Кристиан, JW (1958). «Деформации аккомодации при образовании мартенсита и использование параметра дилатации». Акта Металлургика . 6 (5): 377–379. дои : 10.1016/0001-6160(58)90077-4 .
- ^ Кабальеро, ФГ; Миллер, МК; Гарсия-Матео, К.; Корнид, Дж. (2013). «Новые экспериментальные доказательства природы бездиффузионного превращения бейнита». Журнал сплавов и соединений . 577 : S626–S630. дои : 10.1016/j.jallcom.2012.02.130 .
- ^ Чан, Джэ Хун; Бхадешиа, Гонконг; Су, Дон Ву (2013). «Растворимость углерода в тетрагональном феррите, находящемся в равновесии с аустенитом» . Скрипта Материалия . 68 (3–4): 195–198. дои : 10.1016/j.scriptamat.2012.10.017 .
- ^ Халм-Смит, Китай; Лонарделли, И.; Диппель, AC; Бхадешиа, Гонконг (2013). «Экспериментальные данные о некубическом бейнитном феррите» . Скрипта Материалия . 69 (5): 409–412. CiteSeerX 10.1.1.398.6559 . дои : 10.1016/j.scriptamat.2013.05.035 .
- ^ Бхадешиа, Гонконг (2013). «Углерод в кубическом и тетрагональном феррите» . Философский журнал . 93 (28–30): 3714–3725. Бибкод : 2013PMag...93.3714B . дои : 10.1080/14786435.2013.775518 . S2CID 16042031 .
- ^ Халм-Смит, Китай; Пит, MJ; Лонарделли, И.; Диппель, AC; Бхадешиа, Гонконг (2015). «Дальнейшие доказательства тетрагональности в бейнитном феррите» . Материаловедение и технологии . 31 (2): 254–256. Бибкод : 2015MatST..31..254H . дои : 10.1179/1743284714Y.0000000691 .
- ^ Шипвей, штат Пенсильвания; Бхадешиа, Гонконг (1995). «Механическая стабилизация бейнита» . Материаловедение и технологии . 11 (11): 1116–1128. Бибкод : 1995МатСТ..11.1116С . дои : 10.1179/mst.1995.11.11.1116 .
- ^ Логинова И., Агрен Дж., Амберг Г. (2004). «Об образовании видманштеттеновского феррита в бинарном Fe–C – подход фазового поля» . Акта Материалия . 52 (13): 4055–4063. Бибкод : 2004AcMat..52.4055L . дои : 10.1016/j.actamat.2004.05.033 . Проверено 15 апреля 2017 г.
- ^ Бхадешиа, Гонконг (2001). «Глава 3: Бейнитный феррит». Бейнит в сталях . Институт материалов. стр. 19–25. ISBN 978-1861251121 .
- ^ Jump up to: а б Сингх, С.Б.; Бхадешиа, Гонконг (1998). «Оценка толщины бейнитной пластины в низколегированных сталях». Материаловедение и инженерия А. 245 (1): 72–79. дои : 10.1016/S0921-5093(97)00701-6 .
- ^ Jump up to: а б с Бхадешиа, Гонконг; Ханикомб, RWK (2017). Стали: микроструктура и свойства . Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 9780750680844 .
- ^ Зенер, К. (1946). «Кинетика распада аустенита» . Труды Американского института горных и металлургических инженеров . 167 : 550–595.
- ^ Келли, премьер-министр; Наттинг, Дж. (1961). «Мартенситное превращение в углеродистых сталях». Труды Лондонского королевского общества. Серия А. Математические и физические науки . 259 (1296): 45–58. дои : 10.1098/rspa.1960.0210 . S2CID 136685252 .
- ^ Хехеманн РФ (1970). «Бейнитная реакция». Фазовые превращения . Огайо, США: Американское общество металлов. п. 397.
- ^ Ли, Ю; Милборн, Дэвид (2011). «Ванадий в бейнитных сталях: обзор последних разработок». В Вэне, Юцин; Ган, Ён; Донг, Хан (ред.). Передовые стали: новейший сценарий в области науки и технологий стали . Пекин и Берлин: Metallurgical Industry Press и Springer-Verlag. стр. 303–308. дои : 10.1007/978-3-642-17665-4_31 . ISBN 9783642176647 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]