Hoogbainiet

De microstructuur van hoogbainiet bestaat uit dunne ferrietplaten die elk ongeveer 0.2 micrometer dik en ongeveer 10 micrometer lang zijn. De platen groeien in groepen, zogenaamde bundels. Binnen elke bundel zijn de platen parallel en hebben ze dezelfde kristallografische oriëntatie, elk met een wel gedefinieerd kristallografisch habitusvlak. De individuele platen in een bundel worden vaak de 'sub-eenheden' van bainiet genoemd. Ze zijn vaak van elkaar gescheiden door lage hoek korrelgrenzen of door cementietdeeltjes, Figuur.

De microstructuur van hoogbainiet. Deze is afkomstig van een staal dat rijk is aan silicium hetgeen de precipitatie van cementiet onderdrukt. In plaats van cementiet hebben we austenietfilms tussen de bainitische ferrietplaatjes. (a) Optische microstructuur; (b) helderveld transmissie elektronen microscopische opname; (c) donkerveldbeeld van het restausteniet; (d) collage van een bainietbundel opgemeten met een transmissie elektronen microscoop (deze bundle lijkt op een enkele donkere plaat in het optische beeld). Naar Bhadeshia en Edmonds, Acta Metallurgica, volume 28 (1980) 1265-1273.

Hoogbainiet ontwikkelt zich in verschillende stadia; te beginnen met de nucleatie van ferrietplaten in de austenietkorrelgrenzen. De groei van elke plaat leidt tot een vormverandering van het getransformeerde gebied ( Figuur), die nauwkeurig kan beschreven worden als een invariante vlakvervorming met een grote afschuifcomponent. Deze laatste is nagenoeg identiek aan deze die vastgesteld wordt bij de martensiettransformatie. Bainiet groeit echter bij relatief hoge temperaturen in vergelijking met martensiet. De grote rekken afkomstig van de vormverandering kunnen niet opgenomen worden door de austenietfase waarvan de sterkte daalt bij stijgende temperatuur. Deze rekken relaxeren door plastische vervorming van het naburig austeniet. De lokale verhoging van de dislocatiedichtheid, veroorzaakt door het vloeien van de austenietblokken, verhindert een verdere vooruitgang van het beweeglijk transformatiefront (Figuur). De lokale plastische vervorming verhindert dus de groei van de ferrietplaten zodat iedere 'sub-eenheid' relatief klein blijft. De grootte van zo'n 'sub-eenheid' is veel kleiner dan de austenietkorrelgrootte.

De intense dislocatienetwerken die zich vormen aan de bainiet (lichte fase) austeniet (donkere fase) fasegrens, tengevolge van de vervorming geïnduceerd door de vormverandering die door de transformatie veroorzaakt wordt. De netwerken van dislocaties zorgen ervoor dat de fasegrens onbeweeglijk wordt door rekversteviging wat leidt tot een verlies aan coherentie en het stoppen van het groeiproces. Hierdoor heeft elke bainietplaat in de bundel een beperkte grootte. Naar Bhadeshia and Edmonds, Metallurgical Transactions A, 10A (1979) 895-907.

Net zoals bij martensiet brengt de vormverandering met zich mee dat het groeimechanisme van bainitisch ferriet displacief is. Het minimaliseren van de rekenergie, wat samenhangt met de verplaatsingen verzekert de groei van bainiet als dunne platen. Aangezien de kristalstructuur van bainiet ontstaat door een gecoördineerde verplaatsing van atomen, volgt hieruit dat er een oriëntatierelatie tussen het austeniet en het bainiet moet bestaan. Experimenteel werd aangetoond dat deze oriëntatierelatie van die aard is dat een paar van de dichtstgestapelde vlakken van de twee roosters zo goed als parallel zijn net zoals de overeenkomstige dichtstgestapelde richtingen in deze vlakken. Dit wordt vaag beschreven door een oriëntatierelatie van het Kurdjumov-Sachs type.

Bainiet vormt zich op welbepaalde kristallografische vlakken, maar de indices van het habitusvlak vertonen een aanzienlijke spreiding (Figuur). Dit is te wijten aan het feit dat de meeste metingen uitgevoerd werden met behulp van lichtmicroscopen zodat het habitusvlak dat bepaald wordt niet dat van een individuele 'sub-eenheid' is. Het habitusvlak komt daarentegen overeen met een gemiddelde waarde afhankelijk van het aantal, de grootte en de verdeling van de 'sub-eenheden' binnen een bundel. Al deze factoren kunnen variëren met de transformatietemperatuur, de tijd en de chemische samenstelling.

Het irrationale habitusvlak van bainietbundels en van martensietplaten [Greninger en Troiano, Trans. AIMME, 140 (1940) 307-336]. Bemerk de nadruk op de term bundels. Dit is een gevolg van het feit dat de metingen uitgevoerd werden met een lichtmicroscoop zodat er eerder naar een bainietbundel als geheel wordt verwezen in plaats van naar individuele 'sub-eenheden'.

Het werd reeds eerder beklemtoond dat hoogbainiet zich vormt in twee afzonderlijke fasen. De eerste fase houdt de vorming in van bainitisch ferriet dat een zeer lage oplosbaarheid voor koolstof heeft (< 0.02 massa%). Hierdoor wordt het overblijvend austeniet aangerijkt aan koolstof tijdens de groei van de ferrietfase. Uiteindelijk kan cementiet precipiteren op de resterende austenietlagen die zich tussen de ferriet sub-eenheden bevinden. De hoeveelheid cementiet hangt af van het koolstofgehalte van het staal. Hoge concentraties leiden tot microstructuren waarin de ferrietplaatjes van elkaar gescheiden worden door continue lagen van cementiet. Smalle, afzonderlijke cementietdeeltjes vormen zich wanneer het koolstofgehalte in het staal laag is.

De oriëntatierelatie tussen de cementietdeeltjes en het austeniet waaruit ze ontstonden, wordt beschreven door de "Pitsch" oriëntatierelatie:

 
 [0 0 1]Fe3C || [ -2 2 5]gamma 




 
 
 [1 0 0]Fe3C || [ 5 -5 4]gamma 




 
 
 
 [0 1 0]Fe3C || [ -1 -1 0]gamma 

Verschillende kristallografische varianten van carbides kunnen uit het austeniet precipiteren. Elk precipitaat staat indirect in verband met het ferriet via de ferriet/austeniet oriëntatierelatie.

Wanneer er voldoende legeringselementen (zoals silicium of aluminium) die de cementietvorming vertragen, toegevoegd worden aan het staal is het mogelijk de vorming van cementiet volledig te onderdrukken. In dit geval bestaat de hoogbainitische microstructuur enkel uit bainitisch ferriet en aan koolstofaangerijkte restausteniet. De microstructuur kan ook martensiet bevatten als het restausteniet zich ontbindt tijdens het koelen tot kamertemperatuur.