Теория ТО / 2_Бейнитное превращение

Строение бейнита

В углеродистых сталях ниже изгиба С-кривой, в интервале примерно 500–250° С, происходит бейнитное превращение. Оно называется также промежуточным превращением – промежуточным между перлитным и мартенситным. Кинетика этого превращения и получающиеся структуры имеют общие черты с диффузионным перлитным и бездиффузионным мартенситным превращениями.

В результате бейнитного превращения образуется смесь α-фазы (феррита) и карбида, которая называется бейнитом. Карбид в бейните не имеет пластинчатого строения, свойственного перлиту. Карбидные частицы в бейните очень дисперсны, их можно обнаружить только под электронным микроскопом.

Различают «верхний» и «нижний» бейнит, образующийся соответственно в верхней и нижней части промежуточного интервала температур (условная граница между ними ~350° С). Верхний бейнит имеет перистое строение, а нижний – игольчатое, мартенситоподобное. Нижний бейнит по виду микроструктуры бывает трудно отличить от отпущенного мартенсита.

Верхний бейнит от нижнего можно отличить по характеру распределения карбидной фазы. Электронномикроскопический анализ показал, что в верхнем бейните карбидные частицы расположены между пластинами феррита или по границам и внутри пластин, а в нижнем бейните включения карбида находятся только внутри пластин α -фазы.

Ферритная фаза в бейните является пересыщенным раствором углерода в α -железе.

Карбидная фаза в верхнем бейните – цементит, а в нижнем бейните – ε-карбид, который заменяется цементитом с увеличением времени выдержки (как и при отпуске стали).

Кинетика бейнитного превращения

В бейнитном интервале температур, так же как и в перлитном, переохлажденный аустенит начинает распадаться после некоторого инкубационного периода. На диаграмме изотермического распада углеродистой стали бейнитное превращение не отделяется от перлитного. Минимум инкубационного периода (изгиб С-кривой) у углеродистой стали находится в перлитной области. Ниже этого изгиба с понижением температуры изотермического превращения наблюдается постепенный переход от перлитной области к бейнитной (например, в интервале 530–470° С в стали с 0,9% С). При этом вначале происходит бейнитное превращение, а затем при увеличении изотермической выдержки – перлитное. В результате структура состоит из верхнего бейнита и тонкопластинчатого перлита. С понижением температуры превращения доля перлита уменьшается и, начиная с некоторой температуры ниже изгиба С-кривой, образуется только бейнит.

Разделение бейнитного превращения и перлитного очень хорошо выявляется на диаграммах изотермического распада аустенита в легированных сталях. У сталей, легированных карбидообразующими элементами (Cr, W, Мо и др.), под С-кривыми перлитного распада находятся С-кривые начала и конца бейнитного превращения (рис. 122). Области перлитного и бейнитного превращений в этих сталях могут частично перекрываться. Например, на рис. 122, а показано, что при 500° С через 100 с. начинается бейнитное превращение, которое примерно через 60 мин от начала изотермической выдержки переходит в перлитное.

Рис. 122. Диаграммы изотермического распада аустенита легированных сталей с обособленными С-кривыми перлитного и бейнитного превращений. а – сталь с 0,43% С, 1,22% Cr, 0,82% Mn и 0,11%V: 1 – начало образования феррита; 2 – начало образования перлита; 3 – конец образования перлита; 4 – начало образования бейнита; 5 – конец образования бейнита; б – сталь с 0,43% С и 3,52% Cr; 1 – начало образования перлита; 2 – конец образования перлита; 3 – начало образования бейнита; 4 – конец образования бейнита

У высоколегированных сталей С-кривые перлитного и бейнитного превращения могут быть разделены температурным интервалом высокой устойчивости переохлажденного аустенита, в котором перлитный распад не происходит в течение многих часов, а для бейнитного превращения переохлаждение еще недостаточно велико (рис. 122, б). Максимальную температуру на С-кривой начала бейнитного превращения обозначают точкой Вн.

Кинетика бейнитного превращения похожа на кинетику перлитного не только наличием инкубационного периода, но и характером нарастания объема во время изотермической выдержки: вначале доля превращенного объема аустенита нарастает с ускорением, а затем с замедлением (см. кинетическую кривую на рис. 63).

Вместе с тем во многих легированных сталях бейнитное превращение имеет характерную особенность мартенситного превращения – оно не доходит до полного исчезновения аустенита. Часть остаточного аустенита может перейти в мартенсит при охлаждении стали от температуры бейнитного превращения до комнатной.

Бейнитное превращение, как и перлитное, может совершаться не только при изотермической выдержке, но и при непрерывном охлаждении.

Механизм бейнитного превращения

Бейнитное превращение включает следующие основные процессы:

γ  α перестройку решетки,

перераспределение углерода,

выделение карбида.

Считается, 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 мартенсите.

Бейнитное превращение происходит при температурах ниже 500–450° С, т. е. ниже порога рекристаллизации железа. Это означает, что в бейнитном 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. 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.

В момент мартенситного превращения концентрация углерода не меняется, а изменяется только решетка и образуется пересыщенный α-раствор. Поэтому сразу после γ  α -превращения начинается выделение карбида (цементита или ε-карбида) из α- раствора, т. е. фактически происходит отпуск.

Рис. 123. Возможная схема бейнитного превращения

В участках аустенита, которые перед γ  α превращением обогатились углеродом, может, выделиться карбид. При этом образуются обедненные углеродом участки аустенита, претерпевающие γα α-мартенситное превращение. Последовательность процессов, происходящих при бейнитном превращении, показана на рис. 123.

При высоких температурах бейнитного превращения α-фаза содержит мало углерода, успевающего отводиться в аустенит от продвигающейся границы α/ γ, и карбид выделяется прямо из аустенита между пластинами α -фазы – формируется верхний бейнит. При низких температурах превращения из-за меньшей подвижности углерода α -фаза пересыщена им и частицы карбида выделяются внутри α -пластин – формируется нижний бейнит.

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.

Механические свойства стали с бейнитной структурой

Бейнит прочнее перлита, причем его прочностные свойства растут с понижением температуры изотермического превращения (рис. 124).

Рис. 124. Зависимость механических свойств эвтектоидной стали от температуры превращения аустенита

Повышенная прочность бейнита обусловлена малым размером ферритных кристаллов, дисперсными выделениями карбида, повышенной плотностью дислокаций, закрепленных атомами углерода, и искажением решетки феррита из-за пересыщенностй его углеродом и легирующими элементами.

На рис. 124 показано, что пластичность при переходе из перлитной области в бейнитную падает, а затем с понижением температуры вновь возрастает. Снижение пластичности связано с тем, что строение верхнего бейнита сравнительно грубое. Частицы карбида, расположенные по границам ферритных кристаллов, понижают пластичность бейнита. В нижнем же бейните частицы карбидов находятся внутри α -фазы, и поэтому пластичность у него более высокая.

Сталь со структурой нижнего бейнита отличается сочетанием высокой прочности и вязкости.