Övre bainit

Mikrostrukturen i övre bainit består av fina plattor av ferrit, som var och en av dem är cirka 0.2 mikrometer tjocka och cirka 10 mikrometer långa. Plattorna växer i kluster som kallas ”knippen”. Inom varje knippe är plattorna parallella och har identisk kristallografisk orientering. Plattorna ligger på ett väldefinierat kristallografisk plan De individuella plattorna i ett knippe kallas ofta för delenheter av bainit. Plattorna åtskiljs vanligen av lågvinkelkorngränser eller av cementitpartiklar.

Mikrostrukturen i övre bainit. Detta är ett stål med hög halt av kisel, vilket undertrycker bildandet av cementit. Istället för cementit har det bildats filmer av austenit mellan de bainitiska ferritplattorna. (a) bild från optisk mikroskop (b) transmissionselektronmikroskopibild i ljusfält (c) mörkfältsbild av restaustenit (d) montage av transmissionselektronmikroskopibilder av ett knippe i bainit (detta knippe ser ut som en enda mörk platta i bilden från det optiska mikroskopet). (Bhadeshia och Edmonds, Acta Metallurgica, volym 28 (1980) 1265 - 1273).

Övre bainit utvecklas i bestämda steg, som börjar med kärnbildning av ferritplattor på austenitkorngränserna. Tillväxten av varje platta åtföljs av en formförändring av den omvandlade delen ( Figur). Denna formförändring kan exakt beskrivas som en ”invariant plan” töjning (det vill säga, att ett kristallografiskt plan lämnas opåverkat av omvandlingen) med en stor skjuvkomponent. Detta är i stort sett identisk med vad som observeras under martensitomvandling. Bainit bildas emellertid vid en relativt hög temperatur, jämfört med martensit. De stora töjningar som hänger samman med formförändringen kan inte förhindras av austeniten, eftersom hållfastheten hos austenit är relativt låg, på grund av den förhöjda temperaturen. Töjningarna relaxeras genom plastisk deformation i den omgivande austeniten. Den lokala förhöjningen av dislokationstätheten i austeniten, orsakad av den plastiska deformationen, förhindrar ytterligare förflyttning av den rörliga mellanytan vid omvandlingen ( Figur). Denna lokala plastiska deformation begränsar därför tillväxten av ferritplattorna. Varje delenhet uppnår därför bara en begränsad storlek, mycket mindre än storleken på ett austenitkorn.

Den stora härvan av dislokationer som bildas vid mellanytan mellan bainit (ljus)/austenit (mörk), beror på deformationen som induceras av den formförändring som åtföljer omvandlingen. Dislokationshärvan gör mellanytan orörlig på grund av deformationshärdning. Detta leder till att koherensen förloras och att tillväxten stannar upp. Detta är orsaken till den begränsade storleken på bainitplattorna i ett knippe. (Bhadeshia och Edmonds, Metallurgica Transaction A, 10A (1979) 895 - 907).

På samma sätt som med martensit indikerar formförändringen att tillväxtmekanismen för bainitisk ferrit är av typen skjuvning. Minimeringen av töjningsenergin, som hänger samman med skjuvningen, leder till att bainit växer som tunna skivor. Eftersom kristallstrukturen i bainit uppkommer av en koordinerad rörelse av atomer, följer att det måste finnas en orienteringsrelation mellan austenit och bainit. Denna relation har man experimentellt befunnit vara av den typ där ett par av de mest tätpackade planen i de två gittren är ungefärligen parallella. Detsamma gäller för motsvarande tätpackade riktningar inom dessa plan. Detta kan ungefärligen beskrivas genom en Kurdjumov - Sachs-typ av orienteringsrelation.

Bainit bildas på särskilda kristallografiska plan, men indexen för de plan på vilka bainiten tillväxer uppvisar avsevärd spridning ( Figur). Detta beror på att de flesta av mätningarna har utförts med optiska ljusmikroskop. Man har då inte kunnat bestämma planen för de individuella delenheterna. Istället motsvarar mätningarna något slags medelvärde, beroende av antalet, storleken och fördelningen av delenheterna inom ett knippe. Alla dessa faktorer kan variera med omvandlingstemperatur, tid och kemisk sammansättning.

De irrationella tillväxtplanen för bainitknippen och martensitplattor (Greninger och Troiano, Trans AIMME, 140 (1940) 307 - 336). Notera betoningen på termen knippen. Detta beror på att mätningarna är gjorda med ljusoptiskt mikroskop och refererar därför till bainitknippen som en helhet, i stället för individuella delenheter.

Det betonades tidigare att övre bainit bildas i två separata steg. Det första steget innefattar bildandet av bainitisk ferrit med mycket låg löslighet av kol (< 0.02 viktsprocent). Tillväxt av ferriten ger därför en anrikning av kol i den kvarvarande austeniten. Till sist utskiljs cementit från filmen av kvarstående austenit mellan de ferritiska delenheterna. Mängden cementit beror av koncentrationen av kol i legeringen. Höga halter leder till en mikrostruktur där de ferritiska plattorna är separerade av ett kontinuerligt lager av cementit. Små, klart avgränsade cementitpartiklar bildas när kolhalten i legeringen är låg.

Cementitpartiklarna har en ”Pitsch” orienteringsrelation med den austenit, som de urskiljs från:

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

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

Många varianter av karbider kan utskiljas från austeniten. Varje partikel har indirekt en relation med ferriten.

Det är möjligt att fullständigt undertrycka bildandet av cementit genom att tillsätta tillräckligt stora mängder av cementitbromsande legeringselement. Exempel på legeringselement som bromsar bildandet av cementit är kisel och aluminium. En mikrostruktur i övre bainit, bestående av enbart ferrit och kolanrikad restaustenit erhålls då istället. Mikrostrukturen kan också innehålla martensit om restausteniten sönderfaller under svalningen till rumstemperatur.