Det är enkelt att fastlägga att martensitomvandlingen är diffusionslös genom att mäta den lokala sammansättningen före och efter omvandlingen. Bainit bildas vid en något högre temperatur, där kol kan flytta sig ut ur plattan på en bråkdel av en sekund. Den ursprungliga sammansättningen kan därför inte mätas direkt.
Det finns tre möjligheter. Kolet kan fördela sig under tillväxten, så att ferriten aldrig innehåller något överskott på kol. Tillväxten kan å andra sidan vara diffusionslös, där kolet fastnar i den framåtskridande mellanytan. Slutligen finns det ett mellanliggande fall, i vilket en del av kolet kan diffundera medan återstoden fastnar och ger en partiell övermättnad i ferriten. Det är därför mycket svårare att med bestämdhet ange kols roll vid tillväxt av bainitisk ferrit än i martensit.
Diffusionslös tillväxt kräver att omvandlingen sker vid en temperatur under T0, när den fria energin för bainit blir lägre än för austenit av samma sammansättning. En lokus av T0-temperaturer som funktion av kolkoncentrationen kallas T0-kurvan. Ett exempel på denna har ritats in i Fe - C-diagrammet i Figur. Tillväxt utan diffusion kan bara ske om kolkoncentrationen i austeniten ligger till vänster om T0-kurvan.
|
En illustration av T0-begreppet på Fe-C-diagrammet. Austenit med en kolkoncentration lägre än den given av T0-kurvan kan i princip omvandlas utan diffusion. Men diffusionslös omvandling är inte möjlig ens i princip, om austeniten har högre kolhalt an vad som ges av T0-kurvan. Alfa refererar till ferrit och gamma till austenit. |
|
Antag att bainitplattan bildas utan diffusion, men att allt överskott på kol strax efteråt stöts ut till restausteniten. Nästa bainitplatta måste då tillväxa från en kolanrikad austenit ( Figur a). Denna process måste avstanna när austenitens kolhalt når T0-kurvan. Reaktionen sägs vara ofullständig, eftersom austeniten inte har nått sin jämviktssammansättning (given av Ae3-kurvan) när reaktionen stannar. Om, å andra sidan, ferriten växer med en jämviktssammansättning i kol, bör reaktionen avstanna när austenitens kolhalt når Ae3-kurvan.
|
(a) Den ofullständiga reaktionen. Om bainit växer utan diffusion, men med att kol försvinner ut från plattan omedelbart efter att tillväxten avstannat, måste nästa platta växa från en kolanrikad austenit. Genom denna mekanism måste reaktionen stanna vid T0-kurvan. (b) Verkliga experimentella data som bekräftar T0-kurvan. |
Man har funnit experimentellt att omvandlingen till bainit verkligen stannar vid T0-kurvan (Figur b). De flesta bevis talar för att tillväxt av bainit under Bs-temperaturen sker genom successiv kärnbildning och martensitisk tillväxt av delenheter, i övre bainit följt av diffusion av kol in i den omgivande austeniten. Möjligheten att en liten andel av kolet hursomhelst kan fördela sig under tillväxten kan inte helt bortses från, men det är knappast någon tvekan om att bainit inledningsvis är kraftigt övermättad på kol.
Dessa slutsatser förändras inte på något avgörande sätt när töjningsenergin från omvandlingen tas hänsyn till i analysen.
Det finns två viktiga egenskaper hos bainit, vilka kan visas med ett antal tekniker, till exempel dilatometri, elektrisk resistivitet, magnetiska mätningar och metallografi. Den första är att det finns en väldefinierad temperatur Bs, ovanför vilken ingen bainit bildas. Detta har bekräftats för ett brett spektrum av legerade stål. Mängden bainit som bildas ökar, när omvandlingstemperaturen sänks under Bs-temperaturen. Andelen ökar under isoterm omvandling som en sigmodal funktion av tiden och når en asymptotisk gräns, som inte förändras vid mycket långa värmebehandlingar, även om stora mängder austenit kvarstår oomvandlade. Faktum är att omvandlingen avstannar innan austeniten når sin jämviktssammansättning, vilket givit effekten namnet "den ofullständiga omvandlingen".
Dessa observationer kan förstås när man inser att tillväxten måste avstanna om kolhalten i austeniten når T0-kurvan i fasdiagrammet. Om man betraktar T0-kurvans lutning inser man att detta inträffar vid allt högre kolhalt, när omvandlingstemperaturen sänks. Således kan mer bainit bildas vid större underkylning under Bs. Men begränsningen med T0-kurvan innebär att jämvikt, det vill säga när austenit har en sammansättning given av Ae3-fasgränsen, aldrig kan nås. Detta är i överensstämmelse med experimentella observationer. En bainit-slut-temperatur BF definieras ibland, men uppenbarligen kan denna inte ha någon fundamental betydelse.