Il carbonio nella bainite

Misurando la composizione chimica locale prima e dopo la trasformazione, è facile capire che la formazione della martensite avviene senza diffusione. La bainite si forma a temperature un po' più elevate alle quali il carbonio può sfuggire dalle lamelle in una frazione di secondo. Pertanto la sua composizione originaria non può essere misurata direttamente.

Ci sono tre possibilità: il carbonio si ripartisce durante la crescita cosicché la ferrite non ne contiene mai in eccesso; oppure la crescita avviene senza diffusione e il carbonio rimane intrappolato dall'interfaccia in avanzamento; infine c'è il caso intermedio in cui parte del carbonio diffonde e il resto rimane intrappolato mantenendo la ferrite in uno stato di parziale sovrasaturazione. Quindi in questo caso è molto più difficile determinare l'esatto ruolo del carbonio durante la crescita della ferrite bainitica rispetto alla martensite.

La crescita senza diffusione richiede che la trasformazione avvenga a una temperatura inferiore a T₀, alla quale l'energia libera della bainite diviene inferiore a quella dell'austenite con la stessa composizione. Il luogo delle temperature T₀ in funzione della concentrazione di carbonio è detto 'curva T₀'. Un esempio è riportato sul diagramma di fase Fe-C in Figura. La crescita senza diffusione può avvenire soltanto se la concentrazione di carbonio nell'austenite si trova alla sinistra della curva T₀.

Illustrazione della costruzione T0 sul diagramma di fase Fe-C. In linea di principio l'austenite con una concentrazione di carbonio inferiore a quella fornita dalla curva T0 può subire una trasformazione senza diffusione, mentre una tale trasformazione non è neppure teoricamente possibile se l'austenite ha più carbonio di quello indicato dalla curva T0. Il termine Alpha si riferisce alla ferrite e Gamma all'austenite.

Si supponga che una lamella di bainite si formi senza diffusione, ma che ogni eccesso di carbonio sia rigettato nell'austenite residua immediatamente dopo. La successiva lamella di bainite dovrà crescere allora da un'austenite arricchita di carbonio (Figura a). Questo processo dovrà interrompersi non appena l'austenite avrà raggiunto la concentrazione di carbonio della curva T₀. Tale reazione si dice incompleta poiché nel punto in cui si interrompe l'austenite non ha raggiunto la sua composizione di equilibrio (data dalla curva Ae3). Se d'altra parte la ferrite cresce con la concentrazione di carbonio all'equilibrio, allora la trasformazione si arresterà quando la concentrazione di carbonio in austenite avrà raggiunto la curva Ae3.

(a) Il fenomeno della reazione incompleta. Se la bainite cresce senza diffusione ma il carbonio sfugge dalla lamella immediatamente dopo che la crescita è terminata, allora la lamella successiva dovrà crescere dall'austenite arricchita. Con questo meccanismo la reazione dovrà interrompersi alla curva T0. (b) Dati sperimentali che confermano la curva T0.

Sperimentalmente si trova che la trasformazione bainitica non si arresta effettivamente sul confine T₀ (Figura b). L'evidenza indica che la crescita della bainite al di sotto della temperatura BS richiede la successiva nucleazione e crescita martensitica delle sub-unità, seguita, nella bainite superiore, dalla diffusione del carbonio nell'austenite circostante. La possibilità che una piccola frazione del carbonio venga ripartita durante la crescita non può essere completamente esclusa, ma è relativamente fuori di ogni dubbio che all'inizio la bainite sia sostanzialmente sovrasatura in carbonio.

Queste conclusioni non vengono modificate nella loro sostanza quando si consideri anche l'effetto dell'energia elastica associata alla trasformazione.

Ci sono due importanti caratteristiche della bainite che possono essere messe in evidenza con diverse tecniche, come per esempio la dilatometria, le misure di resistività elettrica, le misure magnetiche e la metallografia. In primo luogo esiste una ben definita temperatura, B_S, al di sopra della quale la bainite non si forma e che è stata confermata in un'ampia varietà di acciai. La quantità di bainite che si forma aumenta con il diminuire della temperatura di trasformazione al di sotto di B_S. La frazione trasformata inoltre aumenta durante la trasformazione isoterma secondo una funzione del tempo di tipo sigmoide, raggiungendo un limite asintotico che non cambia con il protrarsi del trattamento anche quando rimanga una quantità sostanziale di austenite non trasformata. Di fatto la trasformazione termina prima che l'austenite abbia raggiunto la composizione di equilibrio cosicché tale effetto è denominato 'fenomeno della reazione incompleta'.

Queste osservazioni possono essere comprese se si tiene presente che la crescita si deve arrestare se la concentrazione di carbonio nell'austenite raggiunge la curva T₀ del diagramma di fase. Dal momento che questa condizione si verifica a concentrazioni di carbonio crescenti al ridursi della temperatura di trasformazione, si formerà una quantità di bainite tanto maggiore quanto maggiore sarà il sottoraffreddamento rispetto a B_S. Ma la restrizione relativa a T₀ implica che, quando l'austenite ha una composizione data dal confine di fase Ae3, l'equilibrio non può mai essere raggiunto, come di fatto viene osservato sperimentalmente. Talvolta viene definita una temperatura di fine formazione della bainite, B_F, ma chiaramente questa non può avere alcun significato fondamentale.