La microstruttura della bainite superiore consiste di fini lamelle di ferrite ciascuna delle quali spessa circa 0.2 micrometri e lunga circa 10 micrometri che crescono in aggregati denominati fasci (sheaves). All'interno di ogni fascio le lamelle sono parallele e hanno la stessa orientazione cristallografica, così come ciascun fascio ha una giacitura cristallografica ben definita. Le singole lamelle in un fascio sono spesso chiamate 'sub-unità' di bainite e in genere sono separate da bordi a basso disorientamento o da particelle di cementite (Figura).
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Microstruttura della bainite superiore. L'immagine è relativa a un acciaio ricco di silicio, che sopprime la precipitazione della cementite. In luogo di quest'ultima si ha la formazione di sottili strati di austenite tra le lamelle di ferrite bainitica. (a) Micrografia ottica; (b) Micrografia al microscopio elettronico in trasmissione in campo chiaro; (c) Immagine dell'austenite ritenuta in campo scuro; (d) Composizione di micrografie al microscopio elettronico in trasmissione di un fascio di bainite (che appare come un'unica lamina scura nella micrografia ottica). Tratto da Bhadeshia ed Edmonds, Acta Metallurgica, volume 28 (1980) 1265-1273.
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La bainite superiore si forma attraverso diverse fasi distinte che hanno inizio con la nucleazione delle lamelle di ferrite sui bordi grano austenitici. La crescita di ciascuna lamella è accompagnata da una variazione nella forma della regione trasformata(Figura), che può essere descritta con esattezza come una deformazione su un piano invariante associata a una rilevante componente di taglio, virtualmente identica a quella osservata durante le trasformazioni martensitiche. Tuttavia la bainite cresce a temperature relativamente più alte rispetto alla martensite. Le grosse deformazioni associate alla variazione di forma non possono essere sostenute dall'austenite, la cui resistenza decresce con l'aumentare della temperatura; esse sono rilassate dalla deformazione plastica dell'austenite nelle regioni adiacenti. L'aumento locale della densità di dislocazioni, causato dallo snervamento dell'austenite, blocca l'ulteriore movimento di scorrimento dell'interfaccia della trasformazione (Figura)
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Evidenti aggregati di dislocazioni che si formano all'interfaccia tra bainite (chiara) e austenite (scura) a causa della deformazione indotta dalla variazione di forma associata alla trasformazione. Gli aggregati di dislocazioni immobilizzano l'interfaccia attraverso un meccanismo di 'incrudimento', provocando la perdita della coerenza e l'arresto del processo di crescita. Ciò è responsabile della dimensione limitata delle placchette di bainite in un fascio. Tratto da Bhadeshia ed Edmonds, Metallurgical Transactions A, 10A (1979) 895-907. |
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Come nel caso della martensite, la variazione di forma implica che la crescita della ferrite bainitica avvenga con un meccanismo di spostamento. E' la minimizzazione dell'energia elastica associata allo spostamento che fa sì che la bainite cresca a sottili lamelle. Poiché la struttura cristallina della bainite è generata da un movimento coordinato di atomi, ne consegue che debba esistere una relazione tra le orientazioni dell'austenite e della bainite. E' stato trovato sperimentalmente che questa relazione è tale per cui una coppia di piani reticolari a maggiore densità atomica di impacchettamento nei due reticoli risulta approssimativamente parallela, così come parallele risultano anche le direzioni di massimo impacchettamento giacenti su questi stessi piani. Tale situazione è descritta approssimativamente dalle relazioni di orientazione del tipo Kurdjumov-Sachs.
La bainite si forma su specifici piani cristallografici, ma gli indici del suo piano di giacitura presentano una notevole dispersione (Figura). Ciò è dovuto al fatto che la maggior parte delle misure è stata fatta mediante microscopio ottico e di conseguenza il piano di giacitura così determinato non è quello di una particolare sub-unità, ma corrisponde invece a un valore medio dipendente dal numero, dalla dimensione e dalla distribuzione delle sub-unità all'interno di un fascio. Tutti questi fattori possono variare con la temperatura di trasformazione, con il tempo e la composizione chimica.
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Indici irrazionali dei piani di giacitura dei fasci di bainite e delle lamine di martensite [Greninger e Troiano, Trans. AIME, 140 (1940) 307-336]. Si noti l'accento sul termine fasci. Questo è dovuto al fatto che le misure sono state fatte al microscopio ottico e pertanto sono da riferirsi al fascio bainitico nel suo insieme piuttosto che alle singole sub-unità. |
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In precedenza si è sottolineato che la bainite superiore si forma in due fasi distinte, la prima delle quali costituita dalla formazione della ferrite bainitica in cui il carbonio ha una solubilità molto bassa (<0.02 % in peso). Pertanto la crescita della ferrite arricchisce in carbonio la rimanente austenite. Alla fine la cementite precipita dall'austenite residua in forma di strati tra le sub-unità di ferrite. La quantità di cementite dipende dal contenuto di carbonio dell'acciaio: elevate concentrazioni danno luogo a microstrutture in cui le lamelle di ferrite sono separate da strati continui di cementite mentre quando la concentrazione è bassa si formano particelle di cementite piccole e separate.
Le particelle di cementite hanno una relazione di orientazione con l'austenite da cui precipitano del tipo Pitsch:
[0 0 1]Fe3C || [ -2 2 5]gamma
[1 0 0]Fe3C || [ 5 -5 4]gamma
[0 1 0]Fe3C || [ -1 -1 0]gamma
Dall'austenite possono precipitare molte varianti di carburo. A sua volta, ogni particella è indirettamente in relazione con la ferrite attraverso le relazioni di orientazione ferrite/austenite.
Se all'acciaio sono aggiunte quantità sufficienti di elementi di lega che ritardano la formazione della cementite (come silicio o alluminio), è allora possibile sopprimere del tutto la formazione di cementite. In tal caso si otterrà una microstruttura costituita da una bainite superiore in cui sono presenti soltanto la ferrite bainitica e un'austenite ritenuta arricchita in carbonio. La microstruttura può contenere anche martensite se l'austenite residua si decompone durante il raffreddamento alla temperatura ambiente.