Бейнитное превращение в сталях

Обновлено: 15.05.2024

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.

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,

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.

Бейнит — игольчатая структура стали

Бейнит – игольчатая структура, состоящая из атомов феррита, перенасыщенного углеродом, и железных сплавов. Она образуется в сталях во время промежуточного превращения аустенита. Бейнит был назван в честь ученого Э. Бейна, построившего первые диаграммы распада аустенита.

Характеристика

После длительного нагревания до температуры 900 °С и выше в составе стали остается только одна модификация железа – аустенит. При дальнейшем охлаждении изделия с медленной скоростью ее микроструктурой будет являться перлит и цементит. Доля этих элементов зависит от химического состава железного сплава. При постепенном понижении температуры стали аустенит превращается в перлит, происходит реакция восстановления с участием частиц железа и углерода. Процесс диффузии замедляется при температурах не выше 600 °С.

В результате полной остановки диффузии сталь начинает охлаждаться быстрее. В этом случае будет образовываться мартенсит. При низких температурах формируется неравновесная фаза, заключающаяся в изменении формы кристаллической решетки.

При резком охлаждении аустенит может только частично превратиться в мартенсит. Остаточный аустенит не твердый, поэтому он снижает прочность закаленной стали. При дальнейшей обработке или эксплуатации он может превратиться в мартенсит. Но в результате этого процесса на изделии могут появиться дополнительные трещины или иные внешние дефекты. Поэтому при быстром охлаждении важно, чтобы процесс образования мартенсита завершался полностью.

Бейнит является светлой структурой, произрастающей от оболочек зерен аустенита. Он представляет собой небольшую тонкую линию. Данная модификация железа отличается наличием пакетной структуры. В ее состав входят рейки и пластины. На их границах расположены стержнеобразные карбиды. На оболочке аустенитного зерна формируются центры кристаллизации.

Бейнит образуется между данными процессами, когда движущих сил химической реакции не хватает для формирования перлита и мартенсита. Он отличается пластичной формой роста. На двухмерных изображениях пластины имеют игольчатую форму. Выделяют две основных разновидности бейнита:

Гранулярный (зернистый бейнитный феррит): обладает зернистой микроструктурой, где полностью отсутствуют параллельные иглы. Он образуется при медленном охлаждении железа. Углерод полностью вытесняется из бейнитной базы.
Игольчатый троостит: образуется внутри зерен аустенита во время быстрой термомеханической обработки. Он окружен карбидными скоплениями или остаточным аустенитом с оболочкой различной толщины.

Все разновидности бейнитных структур нестабильны. Поэтому при их эксплуатации важно контролировать максимальную температуру изделия. Она не должна превышать температуру изотермического распада аустенита.

Существует несколько теорий, объясняющих процедуру преобразования бейнита:

Теория смещения: формирование бейнита осуществляется посредством преобразования сдвига.
Диффузная теория: образование бейнита объясняется процессом диффузии, происходящим во время охлаждения стали.

В науке основной принято считать теорию смещения. Она способна объяснить причины изменения формы и рельефа поверхности структуры бейнита.

Бейнитное превращение

Бейнитное превращение возможно, если температура охлажденного изделия ниже перлитной, но выше мартенситной. По этой причине оно называется промежуточным. Бейнитное превращение происходит при отсутствии диффузии элементов железа. Во время этого процесса активно диффундирует углерод. В итоге осуществляется перераспределения углеродных частиц по участкам аустенита. На отдельных участках наблюдается как недостаток, так и избыток углеродных частиц.

На участках, насыщенных углеродом, могут формироваться атомы карбидов, что обусловлено особенностями изотермической выдержки. После перенасыщения аустенита он превратится в мартенсит. Эти же процессы происходят при отпуске сталей. Также на участках, обогащенных углеродом, могут поменять рельеф на поверхности микрошлифов.

Верхний и нижний бейнит

При закалке бейнитная структура может видоизменяться. Поэтому была создана специальная классификация, учитывающая вид микроструктуры и ее главные свойства. Согласно этой типологии, ученые различают верхний и нижний бейнит.

Верхний бейнит формируется из охлажденного аустенита в диапазоне температур от 500 °C до 350 °C. В его состав входит множество широких частиц феррита, представляющего собой несколько пластин с атомами цементита в форме реек. Их толщина составляет не более 1 мкс, длина – до 10 мкм. Поверхность верхнего бейнита более грубая. Поэтому она обладает высокой прочностью, что обусловлено маленьким размером частиц феррита, искажением кристаллической решетки и повышенными выделениями карбида. Недостатком данной модификации железа является низкая пластичность его микроструктуры.

Нижний бейнит формируется при понижении температуры аустенита до 340-220 °C. Ее структура очень твердая и прочная. Несмотря на это, она сохраняет высокую пластичность. Это обусловлено небольшим размером частиц карбида, содержащихся в ее микроструктуре. Отличительной особенностью нижнего бейнита является игольчатое строение. В нем содержится множество атомов карбида, что обусловлено перенасыщенностью пластинок феррита.

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:

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 М_н.

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.

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).

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 обособлено от перлитного: зависимость инкубационного периода от температуры изображается одной С-кривой.

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.

При этом вначале происходит бейнитное превращение, а затем при увеличении изотермической выдержки — перлитное. В результате структура стали 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.

Обособленность бейнитного превращения от 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.

Области перлитного и бейнитного превращений в этих сталях могут частично перекрываться. Например, на рисунке,б показано, что при 500 °С через 100 с начинается бейнитное превращение, которое примерно через 60 мин от начала изотермической выдержки переходит в перлитное.

Диаграммы изотермического распада аустенита

Диаграммы изотермического распада аустенита легированных сталей с обособленными С-кривыми перлитного и бейнитного превращений:

а — сталь ШХ15 с 1,07% С и 1,52% Cr (И. Л. Маркин, А. И. Розанов);
б — сталь с 0,43% С, 1,22% С, 0,82 % Mn и 0,11 % V (Розе и Петер); 1 — (начало образования феррита; 2 — начало образования перлита; 3 — конец образования перлита; 4 — начало образования бейнита; 5 — конец образования бейнита;
в — сталь с 0,4в% С и 3,92% Cr (Розе и Петер), 1 — начало образования перлита; 2 — конец образования перлита; 3 — начало образования бейнита; 4 — конец образования бейнита.

У высоколегированных сталей С-кривые перлитного и беинитного 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.

Максимальную температуру на С-кривой начала бейнитного превращения обозначают точкой Вн. Выше этой точки аустенит не превращается в бейнит.

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 (смотрите кинетическую кривую на рисунке Кинетика фазового превращения при постоянной температуре). Вместе с тем во многих легированных сталях бейнитное превращение имеет характернейшую особенность мартенситного превращеаия — оно не доходит до полного исчезновения аустенита.

Каждая точка на С-кривой конца бейнитного превращения (например, кривой 4 на рисунке, в) соответствует определенному количеству остаточного аустенита. С удалением температуры превращения от точки В_н количество бейнита возрастает (от нуля при температуре В_н), а количество остаточного аустенита уменьшается (здесь аналогия с уменьшением количества остаточного аустенита при понижении температуры мартенситного превращения смотрите Кинетика мартенситных превращений).

Часть остаточного аустенита может перейти в мартенсит при охлаждении стали от температуры бейнитного превращения до комнатной.

Легирующие элементы по-разному влияют на скорость распада аустенита в перлитном и бейнитном интервалах. У одних сталей сильнее сдвинута вправо С-кривая начала перлитного превращения, а у других — бейнитного.

В высоколегированных сталях с небольшим содержанием углерода перлитное превращение может протекать настолько медленно, что на диаграмме изотермического распада оно не отображается.

Диаграмма изотермического превращения аустенита

Диаграмма изотермического превращения аустенита в стали
18Х2Н4ВА (А. А. Попов).

В этом случае на диаграмме отображено только бейнитное превращение. Возможен также случай, когда бейнитное превращение протекает очень медленно и на диаграмме изотермического распада аустенита легированной стали отображается только перлитное превращение.

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 черты кинетики и структур, наблюдаемых при диффузионном перлитном и бездиффузионном мартенситном превращениях.

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, и их можно обнаружить только под электронным микроскопом.

Различают «верхний» и «нижний» бейнит, образующиеся соответственно в верхней и нижней части промежуточного интервала температур. Верхний бейнит имеет перистое строение, а нижний — игольчатое, мартенситоподобное.

Нижний бейнит по виду микроструктуры бывает трудно отличить от отпущенного мартенсита. Указанные микроструктурные особенности, связанные с формой кристаллов феррита, не обязательны для бейнита во всех сталях. Феррит в бейните может и не иметь игольчатой формы.

Встречаются зернистый и столбчатый бейниты. Верхний бейнит от нижнего можно более строго отличить по характеру распределения карбидной фазы. Электронно-микроскопический 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.

Продукты изотермического превращения переохлажденного аустенита в промежуточном интервале температур по своим физическим свойствам, составу и структуре фаз близки к продуктам отпуска мартенсита закаленной стали, если температуры бейнитного превращения и отпуска одинаковы. Ферритная фаза в бейните является пересыщенным раствором углерода в α-железе.

Состав феррита находится между линией PQ и метастабильным продолжением линии GP на диаграмме состояния Fe — С (смотрите рисунок Диаграмма состояния Fe — С), т. е. между линиями стабильного равновесия α/(α + Fe₃C), и метастабильного равновесия α/(α + v).

Карбидная фаза — это обычный цементит Fe₃C с ромбической решеткой. Кроме того, в нижнем бейните можно обнаружить ε-карбид с гексагональной решеткой (аналогично картине отпуска стали смотрите Структурные изменения при отпуске сталей).

Участок диаграммы состояния Fe — С

Участок диаграммы состояния Fe — С с предполагаемым метастабильным равновесием аустенит — феррит — ε-карбид. В скобках обозначены фазовые области в метастабильной системе (Хейеман).

Появление ε-карбида в нижнем бейните можно предположительно объяснить существованием метастабильного трехфазного равновесия γ ↔ α + ε при ~ 350 °С.

В соответствии со схемой на рисунке метастабильный ε-карбид образуется только при переохлаждениях аустенита до температур ниже 350 °С. Скорость его зарождения больше, чем у цементита, так как ε-карбид ближе по структуре к аустениту и должен характеризоваться меньшей работой образования критического зародыша (смотрите Образование промежуточных метастабильных фаз).

При нагревании стали со структурой нижнего бейнита до температур выше 350 °С метастабильный ε-карбид растворяется и заменяется цементитом.

Читайте также: