Микроструктура "верхнего" бейнита состоит из мелких пластин феррита, имеющих толщину порядка 2 мкм и длину около 10 мкм. Пластины растут, образуя агрегаты. Внутри каждого бейнитного агрегата пластины феррита параллельны и имеют одинаковую кристаллографическую ориентацию, причем каждая пластина имеет определённую плоскость габитуса. Индивидуальные пластины, образующие бейнитный агрегат, часто называют "субячейками" бейнита. Обычно они разделены низкоугловыми границами или или цементитными частицами (Рисунок)
|
|
Микроструктура "верхнего" бейнита. Материал - сталь с высоким содержанием
кремния, который подавляет выделение цементита. Вместо цементита между
пластинками бейнитного феррита расположены тонкие прослойки аустенита. (а)
Оптическая микрофотография; (б) просвечивающая электронная микроскопия
(ПЕМ) светлопольное изображение; (в) ПЕМ темнопольное изображение
остаточного аустенита; (г) ПЕМ монтаж бейнитного агрегата, который под
оптическим микроскопом выглядит как монофазная темная пластина. (Bhadeshia
and Edmonds, Acta Metallurgica, volume 28 (1980) 1265-1273).
|
"Верхний" бейнит образуется в несколько отчетливых стадий, начиная с зарождения пластин бейнитного феррита на границах зерен аустенита. Рост каждой пластины сопровождается изменением формы превращённого участка (Рисунок, которое может быть точно описано как деформация с инвариантной плоскостью с большой компонентой сдвига, что идентично картине, наблюдаемой при мартенситном превращении. Однако, по сравнению с мартенситом, бейнит растет при относительно высоких температурах. Большие напряжения, связанные с изменением формы превращенного участка, не могут быть упруго аккомодированы аустенитом, прочность которого снижается с ростом температуры. Эти напряжения разряжаются за счёт пластической деформации аустенита, окружающего пластину бейнита. Локальное увеличение плотности дислокаций обусловливает упрочнение аустенита, что в свою очередь блокирует движение скользящей границы раздела (Рисунок)Таким образом, эта локализованная пластическая деформация останавливает рост пластины бейнитного феррита, при этом каждая"субячейка" достигает некоторого ограниченного размера, который значительно меньше размера аустенитного зерна.
|
Скопления дислокаций, которые формируются на границе раздела бейнитный феррит (светлая фаза) - аустенит (темная фаза), за счёт деформации, вызванной изменением формы, сопроваждающей превращение. Скопления дислокаций делают границу неподвижной, вследствие наклепа аустенита, что приводит к потере когерентности и остановке процесса роста. Это лимитирует размер каждой пластинки бейнитного феррита внутри агрегата (Bhadeshia and Edmonds, Metallurgical Transactions A, 10A (1979) 895-907). |
|
Как и в случае мартенсита, изменение формы подразумевает, что механизм роста бейнитного феррита является сдвиговым. Минимизация упругой энергии , связанной со сдвигом, обусловливает рост бейнитного феррита в форме тонких пластин. Так как кристаллическая структура бейнитного феррита образуется за счёт скоординированного движения атомов, то отсюда следует, что должно существовать ориентационное соотношение между аустенитом и бейнитным ферритом. Это ориентационное соотношение, обнаруженное экспериментально, имеет следующий вид : пары наиболее плотно упакованных плоскостей и направлений, лежащих в этих плотноупакованных плоскостях решёток исходной и новой фазы, параллельны. Это приблизительно описывается ориентационным соотношением типа Курдюмова-Закса.
Бейнит формируется по определённым кристаллографическим плоскостям, но индексы габитусной плоскости могут существенно изменяться ( Рисунок). . Это является следствием того, что измерения проводятся методом оптической микроскопии. В таком случае определяемая плоскость габитуса не является той плоскостью, которая присуща индивидуальной субячейке. Вместо этого измеренные индексы соответствуют некоторому усредненному значению, зависящему от количества, размера и распределения "субячеек" внутри бейнитного агрегата. Все перечисленные параметры могут изменяться в зависимости от температуры и времени превращения, а также химического состава.
|
Иррациональные плоскости габитуса агрегатов бейнита и пластин мартенсита - Greninger and Troiano, Trans. AIMME, 140 (1940) 307-336 - Обратите внимание на исползование термина "агрегаты". Это связано с тем, что измерения выполнены с использованием световой микроскопии и,следовательно, относятся в большей степени к |
|
Как отмечено ранее, "верхний" бейнит формируется в две стадии: первая включает формирование бейнитного феррита, растворимость углерода в котором чрезвычайно мала (<0.02 % масс.). Следовательно, рост бейнитного феррита приводит к обогащению остаточного аустенита углеродом. Впоследствии цементит выделяется из остаточного аустенита, находящегося между "субячейками" бейнитного феррита. Количество выделившейся цементитной фазы зависит от концентрации углерода в сплаве. Для стали с высокой концентрацией углерода характерной является микроструктура, в которой ферритные пластины разделены сплошными слоями цементита. Маленькие, точечные карбиды формируются в сплавах с низким содержанием углерода.
Частицы цементита находятся в ориентационном соотношении по Питчу с аустенитом, из которого они выделились: :
[0 0 1]Fe3C || [ -2 2 5]аустенит
[1 0 0]Fe3C || [ 5 -5 4]аустенит
[0 1 0]Fe3C || [ -1 -1 0]аустенит
Несколько вариантов карбидных частиц могут выделяться из аустенита, при этом каждая частица косвенно связана с ферритом через ориентационное соотношение аустенит/феррит. Если достаточное количество легирующих элементов, таких как кремний или алюминий, которые замедляют выделение карбида, введено в сталь, то возможно полное подавление образования цементита. В микроструктуре может присутствовать некоторое количество мартенсита, если остаточный аустенит превращается в процессе охлаждения до комнатной температуры.