Koolstof in bainiet

 

Het is gemakkelijk te bewijzen dat de martensiettransformatie diffusieloos is door de lokale chemische samenstelling te bepalen vˇˇr en na de transformatie. Bainiet vormt zich bij iets hogere temperaturen zodat de koolstof binnen fracties van een seconde kan ontsnappen uit de platen. De originele chemische samenstelling van bainiet kan dus niet rechtstreeks gemeten worden.

Er zijn drie mogelijkheden. De koolstof kan zich tijdens de groei verdelen tussen ferriet en austeniet zodat het ferriet nooit een overmaat aan koolstof kan bevatten. Anderzijds kan de groei diffusieloos zijn waarbij de koolstof gevangen wordt door de zich voortbewegende fasegrens. Tenslotte is er nog een tussenweg waarbij slechts een deel van de koolstof kan diffunderen. De overblijvende koolstof wordt dan gevangen in het ferriet zodat dit laatste gedeeltelijk oververzadigd is. Hierdoor is het dus veel moeilijker om de precieze rol van koolstof tijdens de groei van het bainitisch ferriet te definiŰren dan de rol van koolstof in martensiet.

Voor een welbepaalde chemische samenstelling vereist diffusieloze groei een transformatietemperatuur onder T0, de temperatuur waarbij de Gibbs-vrije energie van bainiet kleiner wordt dan die van austeniet met dezelfde chemische samenstelling. Het verloop van de T0 temperatuur in functie van het koolstofgehalte wordt de T0-curve genoemd. In de
Figuur wordt een voorbeeld hiervan getekend in het Fe-C fasediagram. Diffusieloze groei kan enkel gebeuren als het koolstofgehalte van het austeniet aan de linkerkant ligt van de T0-curve.


Een illustratie van de T0 constructie in het Fe-C fasediagram. Austeniet met een koolstofgehalte lager dan deze gegeven door de T0 curve kan in principe transformeren zonder diffusie. Diffusieloze transformatie is evenwel niet mogelijk als het austeniet een hoger koolstofgehalte heeft dan deze gegeven door de T0 curve. Alfa verwijst naar ferriet en gamma naar austeniet.

T-zero curve


Veronderstel dat de bainietplaat zonder diffusie gevormd wordt, maar dat een overmaat aan koolstof nadien snel uitgestoten wordt in het overblijvend austeniet. De volgende bainietplaat moet dan groeien vanuit koolstof aangerijkt austeniet (
Figuur a). Dit proces moet tot stilstand komen wanneer de koolstofconcentratie in het austeniet de T0-curve bereikt. De reactie wordt als onvolledig beschouwd omdat het austeniet zijn evenwichtssamenstelling (gegeven door de Ae3-curve) niet bereikt heeft op dit ogenblik. Wanneer anderzijds het ferriet groeit met een evenwichtsconcentratie koolstof, zal de transformatie stoppen als de koolstofconcentratie in het austeniet de Ae3-curve bereikt.

T-zero curve
(a) De onvolledige reactie. Wanneer het bainiet diffusieloos groeit, maar met koolstof die de plaat onmiddellijk na het stoppen van de groei verlaat, dan moet de volgende bainietplaat groeien vanuit koolstof aangerijkt austeniet. Bij dit mechanisme moet de reactie stoppen aan de T0-curve. (b) Actuele experimentele gegevens die de T0-curve bevestigen.


Er werd experimenteel aangetoond dat de bainiettransformatie inderdaad stopt aan de T0-grens (
Figuur b). Aanvullend bewijs is dat de groei van bainiet onder de BS-temperatuur de opeenvolgende nucleatie en martensitische groei van sub-eenheden omvat, gevolgd door de diffusie van koolstof in het omringende austeniet. De mogelijkheid dat een kleine hoeveelheid koolstof tijdens de groei toch verdeeld wordt over de twee fasen kan niet volledig uitgesloten worden, maar er is weinig twijfel dat bainiet aanvankelijk overzadigd is aan koolstof.

Deze conclusies veranderen niet noemenswaardig wanneer met de vervormingsenergie van de transformatie rekening gehouden wordt bij deze analyse.

Er zijn twee belangrijke eigenschappen van bainiet die kunnen aangetoond worden door een waaier van technieken, zoals dilatometrie, elektrische weerstand, magnetische metingen en metallografisch onderzoek. Vooreerst is er een goed gedefinieerde BS-temperatuur waarboven geen bainiet kan gevormd worden. Het bestaan van deze temperatuur werd voor een groot aantal gelegeerde staalsoorten bevestigd. De hoeveelheid bainiet die gevormd wordt, stijgt naarmate de transformatietemperatuur daalt onder de BS-temperatuur. De bainietfractie stijgt tijdens isotherme transformatie als een sigmoidale functie van de tijd waarbij een limietwaarde bereikt wordt die niet verandert bij langere warmtebehandelingen zelfs niet wanneer belangrijke hoeveelheden austeniet ongetransformeerd blijven. Eigenlijk stopt de transformatie voordat het austeniet zijn evenwichtssamenstelling bereikt, zodat het effect aangeduid wordt als een "onvolledige reactie".

Deze vaststellingen kunnen begrepen worden wanneer men zich realiseert dat de groei moet stoppen als de koolstofconcentratie in het austeniet deze van de T0-curve van het fasediagram bereikt. Omdat deze voorwaarde bereikt wordt bij steeds hogere koolstofconcentraties wanneer de transformatietemperatuur verlaagt, kan er zich meer bainiet vormen met grotere onderkoelingen onder BS. De T0-beperking betekent echter dat evenwicht, wanneer austeniet een samenstelling heeft, gegeven door de Ae3 fasegrens, nooit kan bereikt worden zoals experimenteel aangetoond wordt. Een bainiet-stop temperatuur BF wordt soms gedefinieerd, maar heeft duidelijk geen fundamentele betekenis.