Промежуточные (бейнитные) превращения

Бейнит представляет собой смесь феррита и дисперсных карбидов, различимых только с помощью электронного микроскопа. Существуют две морфологические разновидности бейнита – верхний и нижний.

Поскольку бейнитные структуры образуются в температурном интервале между перлитным и мартенситным превращениями аустенита, бейнитное превращение часто называют промежуточным. В начальный момент при охлаждении до температуры начала бейнитного превращения Б_Нв аустенитных зернах возникают участки кристаллов бейнитного феррита с пониженным по сравнению со сталью содержанием углерода. При дальнейшем понижении температуры образуются кристаллы бейнитного феррита с более высоким содержанием углерода. Например, в стали с 0,23 %С концентрация углерода в α-фазе при промежуточном превращении равна 0,1 % при 300 ⁰С и 0,16 % при 250 ⁰С.

В ходе промежуточного превращения отмечается увеличение периода решетки остаточного аустенита от 3,579·10^-4 до 3,591 10^-4 мкм. Таким образом, при промежуточном превращении происходит процесс перераспределения углерода между α и γ-фазами. Например, в стали с 0,15…0,18 % С содержание углерода в остаточном аустените достигает 0,5…1%. После окончания промежуточного превращения из остаточного пересыщенного углеродом аустенита выделяются карбиды, и он приобретает способность к дальнейшему распаду по механизму распада перлита. Причем увеличение в составе стали Si, Mn, Cr, Ni, С стимулирует процесс карбидообразования в остаточном аустените, в то время как легирование А1 понижает склонность к карбидообразованию.

В соответствии с условиями диффузии в высокотемпературной области бейнитное превращение лимитируется диффузией углерода, а в низкотемпературной – дрейфом атомов углерода.

Смена одного лимитирующего фактора другим и приводит к изменению морфологии бейнитной фазы. В температурной области образования нижнего бейнита скорость диффузии углерода существенно снижается, поэтому и образуются пересыщенные углеродом кристаллы бейнитного феррита, в которых затем выделяются дисперсные карбиды.

Таким образом, в температурном интервале превращения, близком к перлитному, образуется структура верхнего бейнита, характеризующаяся перистым строением. Бейнит, образовавшийся при температурах, несколько превышающих температуру М_Н, имеет игольчатое строение и называется нижним. Рейки бейнита, как и пластины мартенсита, не могут пересекать исходное аустенитное зерно. В верхнем бейните частицы карбидов расположены по границам или и по границам и внутри ферритной фазы. В нижнем бейните карбидные частицы расположены внутри и поперек ферритного кристалла. В первом приближении температурная граница между областями образования этих разновидностей бейнита может быть принята равной 500…550 ⁰С.

Для промежуточного превращения, в результате которого образуется бейнит, характерны признаки как мартенситного, так и перлитного превращения. Бейнитному превращению предшествуеют диффузионное перераспределение углерода в аустените. Это подтверждается увеличением периода кристаллической решетки не превратившейся еще части аустенита. Последующее уменьшение периода кристаллической решетки свидетельствует о выводе углерода из твердого раствора в карбидную фазу и способствует реализации сдвигового (мартенситного) механизма превращения. Скорость продвижения межфазной границы феррит – аустенит, а, следовательно, и скорость роста бейнита, определяются при этом скоростью диффузии углерода. Подтверждением реализации мартенситного механизма превращения является образование микрорельефа на поверхности шлифа.

Отличие промежуточного превращения от мартенситного – значительно меньшая скорость роста кристаллов (0,1…0,01 мкм/с). Скорость роста кристаллов в поперечном направлении примерно на порядок меньше, чем в продольном.

Структурно-фазовые превращения применительно к условиям сварки можно прогнозировать по структурным диаграммам (см. рис. 32, б), а менее точно – по термокинетическим и изотермическим диаграммам распада переохлажденного аустенита.