Укажите режим охлаждения стали при котором получается структура бейнита

Бейнит — игольчатая структура стали

Бейнит – игольчатая структура, состоящая из атомов феррита, перенасыщенного углеродом, и железных сплавов. Она образуется в сталях во время промежуточного превращения аустенита. Бейнит был назван в честь ученого Э. Бейна, построившего первые диаграммы распада аустенита.

Характеристика

После длительного нагревания до температуры 900 °С и выше в составе стали остается только одна модификация железа – аустенит. При дальнейшем охлаждении изделия с медленной скоростью ее микроструктурой будет являться перлит и цементит. Доля этих элементов зависит от химического состава железного сплава. При постепенном понижении температуры стали аустенит превращается в перлит, происходит реакция восстановления с участием частиц железа и углерода. Процесс диффузии замедляется при температурах не выше 600 °С.

В результате полной остановки диффузии сталь начинает охлаждаться быстрее. В этом случае будет образовываться мартенсит. При низких температурах формируется неравновесная фаза, заключающаяся в изменении формы кристаллической решетки.

При резком охлаждении аустенит может только частично превратиться в мартенсит. Остаточный аустенит не твердый, поэтому он снижает прочность закаленной стали. При дальнейшей обработке или эксплуатации он может превратиться в мартенсит. Но в результате этого процесса на изделии могут появиться дополнительные трещины или иные внешние дефекты. Поэтому при быстром охлаждении важно, чтобы процесс образования мартенсита завершался полностью.

Бейнит является светлой структурой, произрастающей от оболочек зерен аустенита. Он представляет собой небольшую тонкую линию. Данная модификация железа отличается наличием пакетной структуры. В ее состав входят рейки и пластины. На их границах расположены стержнеобразные карбиды. На оболочке аустенитного зерна формируются центры кристаллизации.

Бейнит образуется между данными процессами, когда движущих сил химической реакции не хватает для формирования перлита и мартенсита. Он отличается пластичной формой роста. На двухмерных изображениях пластины имеют игольчатую форму. Выделяют две основных разновидности бейнита:

  1. Гранулярный (зернистый бейнитный феррит): обладает зернистой микроструктурой, где полностью отсутствуют параллельные иглы. Он образуется при медленном охлаждении железа. Углерод полностью вытесняется из бейнитной базы.
  2. Игольчатый троостит: образуется внутри зерен аустенита во время быстрой термомеханической обработки. Он окружен карбидными скоплениями или остаточным аустенитом с оболочкой различной толщины.

Все разновидности бейнитных структур нестабильны. Поэтому при их эксплуатации важно контролировать максимальную температуру изделия. Она не должна превышать температуру изотермического распада аустенита.

Существует несколько теорий, объясняющих процедуру преобразования бейнита:

  1. Теория смещения: формирование бейнита осуществляется посредством преобразования сдвига.
  2. Диффузная теория: образование бейнита объясняется процессом диффузии, происходящим во время охлаждения стали.

В науке основной принято считать теорию смещения. Она способна объяснить причины изменения формы и рельефа поверхности структуры бейнита.

Бейнитное превращение

Бейнитное превращение возможно, если температура охлажденного изделия ниже перлитной, но выше мартенситной. По этой причине оно называется промежуточным. Бейнитное превращение происходит при отсутствии диффузии элементов железа. Во время этого процесса активно диффундирует углерод. В итоге осуществляется перераспределения углеродных частиц по участкам аустенита. На отдельных участках наблюдается как недостаток, так и избыток углеродных частиц.

Читайте также:  Как быстро накачать спину без железа

На участках, насыщенных углеродом, могут формироваться атомы карбидов, что обусловлено особенностями изотермической выдержки. После перенасыщения аустенита он превратится в мартенсит. Эти же процессы происходят при отпуске сталей. Также на участках, обогащенных углеродом, могут поменять рельеф на поверхности микрошлифов.

Верхний и нижний бейнит

При закалке бейнитная структура может видоизменяться. Поэтому была создана специальная классификация, учитывающая вид микроструктуры и ее главные свойства. Согласно этой типологии, ученые различают верхний и нижний бейнит.

Верхний бейнит формируется из охлажденного аустенита в диапазоне температур от 500 °C до 350 °C. В его состав входит множество широких частиц феррита, представляющего собой несколько пластин с атомами цементита в форме реек. Их толщина составляет не более 1 мкс, длина – до 10 мкм. Поверхность верхнего бейнита более грубая. Поэтому она обладает высокой прочностью, что обусловлено маленьким размером частиц феррита, искажением кристаллической решетки и повышенными выделениями карбида. Недостатком данной модификации железа является низкая пластичность его микроструктуры.

Нижний бейнит формируется при понижении температуры аустенита до 340-220 °C. Ее структура очень твердая и прочная. Несмотря на это, она сохраняет высокую пластичность. Это обусловлено небольшим размером частиц карбида, содержащихся в ее микроструктуре. Отличительной особенностью нижнего бейнита является игольчатое строение. В нем содержится множество атомов карбида, что обусловлено перенасыщенностью пластинок феррита.

Источник

Бейнит в стали

Если сталь охлаждается от температуры аустенитизации немного быстрее, чем просто на воздухе, то возникает возможность образования такой микроструктуры стали как бейнит.

Различия бейнита и перлита

Подобно перлиту бейнит образуется из аустенита и также сначала зарождается вдоль границ аустенитных зерен. Поэтому при быстром охлаждении стали возникает конкуренция на границах зерен между перлитом и бейнитом, как это показано на рисунке 1.

Рисунок 1 – Смешанная перлитная и бейнитная структуры, которые образовались по границам первичных аустенитных зерен (показаны белыми линиями). Ускоренно охлажденная американская сталь 1095 (аналог сталей У9 или У10).
Исходное увеличение 1000х.

Бейнит и перлит под световым микроскопом
Бейнит – это более светлая структура, которая растет от границ первичных аустенитных зерен. Белая тонкая линия вдоль старых аустенитных зерен – это и есть бейнит. Аналогично перлиту бейнит является смесью феррита и цементита. Однако внутренняя структура бейнита отличается от перлита. Если в перлите цементит присутствует в виде пластин, расположенных между пластинами феррита, то в бейните он находится в виде своего рода нитей или маленьких частиц, разбросанных по ферритной матрице.

Фронт роста бейнита и перлита
На фотографии рисунка 1 можно видеть еще одно отличие этих двух структур – перлита и бейнита. Фронт роста перлита имеет сферическую форму, а у бейнита выглядит иглообразным. Однако надо помнить, что фотография на рисунке 2 – это двумерный разрез через структуру. Если бы фронт роста бейнита действительно был игольчатым, то эти иглы были бы видны только, если бы разрез лежал параллельно осям игл, что маловероятно. Поэтому ясно, что фронт роста бейнита здесь имеет пластинчатую форму и выглядит игольчатым в двухмерном изображении для многих ориентаций плоскости разреза по этому фронту. Фронт роста бейнита на этой микрофотографии такой же пластинчатый, как и у бейнитных структур большинства сталей.

Читайте также:  Золото как особый денежный товар

Максимальное увеличение светового микроскопа
Оптическая микрофотография на рисунке 2 была сделана при максимально полезном увеличении 1000х. При более высоком увеличении никаких новых структурных составляющих увидеть уже нельзя. Дело в том, что такое увеличение находится уже за пределами разрешения оптического микроскопа – 0,2 мкм. Пластинчатые и «ниточные» структуры цементита в перлите и бейните не видны, потому что обе слишком малы, чтобы их можно было разглядывать в оптический микроскоп.

После полировки и травления шлифа стального образца цементитные пластины рассеивают свет и поэтому выглядят темными в оптическом микроскопе. Перлит выглядит темнее чем бейнит потому что он рассеивает свет от свои пластин более эффективно, чем бейнит от своих мельчайших частиц.

Бейнит и перлит под электронным микроскопом
Сканирующий электронный микроскоп делает снимки поверхности с разрешением, которое значительно выше чем у светового микроскопа – в сто раз: 2 нанометра вместо 0,2 микрометров.

На рисунке 2 и 3 показаны микрофотографии перлита и бейнита в той же точке, что и на микрофотографии рисунка 1.

Рисунок 2 – Микрофотография сканирующего электронного микроскопа в той точке, что и на рисунке 1. Исходное увеличение: 21000х

На обеих фотографиях темная фаза – это цементит. Различие между этими двумя микроструктурами хорошо видно из этих двух фотографий. С увеличением скорости охлаждения расстояние между цементитными пластинками в перлите уменьшается. На рисунке 3 это расстояние составляет 0,05 мкм – это минимальное расстояние для неотпущенного и недеформированного перлита. Как видно на рисунке 4 цементит в бейните в основном присутствует в виде частиц, которые имеют форму нитей или лент. Как оси этих лент бейнита, так и плоскости пластин перлита ориентированы вдоль направления роста этих структур.

Источник

Изотермическое превращение аустенита

В 1920-х годах американец Эдгар Бейн впервые применил для изучения структуры стали так называемый метод изотермического превращения. «Изотермический»», понятно, означает «при постоянной температуре». Этот метод обычно требует применения тонких образцов стали. Сначала эту тонкую сталь нагревают для превращения ее в аустенит и затем резко охлаждают в жидкой закалочной ванне, обычно в соляном расплаве, и выдерживают при заданной постоянной температуре.

Изотермическое превращение

Поскольку сталь тонкая, она быстро охлаждается до температуры ванны по всему своему объему до того, как аустенит хоть сколько-нибудь начнет распадаться. Затем сталь находится в соляном расплаве до тех пор, пока аустенит полностью не превратится. После этого образец охлаждают до комнатной температуры и изучают под микроскопом.

С помощью этого метода можно получить двумерную карту – диаграмму – типов структур, которые могут образовываться из аустенита во всем диапазоне координат «температура–содержание углерода» на фазовой диаграмме ниже температуры А1. Такая карта-диаграмма показана на рисунке ниже.

Рисунок – Диаграмма изотермического превращения
для обыкновенных углеродистых сталей

Бейнит

С помощью этого метода Бейн с сотрудниками обнаружили, что существует температурный интервал, ниже которого перлит не образуется, а выше которого не образуется мартенсит. Они открыли, что в этом интервале образуется новый тип структуры, который впоследствии назвали бейнитом.

Как видно из рисунка бейнит имеет две основные формы – нижний бейнит и верхний бейнит. Их названия отражают интервал температур, при которых они образуются. Главное отличие между двумя этими структурами заключается в том, что в нижнем бейните карбидные частицы и пластины намного меньше и расположены друг другу намного ближе, чем в верхнем. Перлит никогда не имеет никакого остаточного аустенита в своей структуре. Бейнит, в отличие от перлита, может иметь значительное количество остаточного аустенита, особенно в некоторых легированных сталях.

Читайте также:  Как делают пресс формы для металла

Влияние кремния в стали на образование бейнита

Иногда в стали добавляют кремний в количествах, которые больше чем его обычный уровень как примеси. В этом случае кремний оказывает значительное влияние на бейнит. Кремний присутствует в больших количествах в некоторых пружинных сталях и во всех чугунах. Это заставляет бейнит в этих металлах содержать большое количество остаточного аустенита, снижая тем самым содержание в них карбидов.

Эпсилон-карбид

Кроме того, кремний изменяет тип карбида в нижнем бейните с Fe3C на Fe2,5C (эпсилон-карбид). Эпсилон-карбид отсутствует на фазовой диагармме железо-углерод, потому что он не является стабильной фазой. Эпислон-карбид – это метастабильная фаза и он может образовываться только в закаленных сталях.

Перлит – доэвтектоидный, эвтектоидный и заэвтектоидный

Изотермическая диаграмма демонстрирует важный момент о перлитных сталях, который часто вызывает много путаницы. А именно — то, что микроструктура стали имеет перлитную форму еще не означает, что сталь имеет содержание углерода 0,77 %. Возьмем для примера сталь с содержанием углерода 0,95 %. Фазовая диаграмма показывает, что если эту сталь резко охладить в температурный интервал 550-650 °С и выдержать там, пока весь аустенит не распадется, то сталь будет иметь 100%-ную перлитную структуру. Различие между структурой этой стали и эвтектоидным перлитом стали У8 с содержанием углерода 0,77 % состоит в том, что цементитные пластины в перлитной стали типа У9 или У10 немного толще. Аналогично, можно получить полностью перлитную структуру в доэвтектоидной стали 60, если охладить ее в интервал температур 550-650 °С и выдержать там до полного распада аустенита. Пластинки цементита в этом «перлите» будут тоньше, чем в перлите стали с содержанием углерода 0,77 %. В обоих случаях, изменение толщины пластин является слишком малым, чтобы его можно было увидеть в световой микроскоп.

Непрерывное охлаждение стали

Диаграмма изотермического превращения не говорит, какая именно структура будет образовываться при непрерывном охлаждении. Под непрерывным охлаждением подразумевается, что образец охлаждают с температуры аустенитизации не резким охлаждением, а извлечением из печи и охлаждением с более низкой скоростью, например, на воздухе или охлаждением в масле.

Нормализация стали

Охлаждение на воздухе обычно называют нормализацией. Как следует из названия, в этом случае непрерывное охлаждение означает температура стали снижается постепенно – нормально, а не так резко как при охлаждении в воде. Эксперименты показывают, что при быстром охлаждении воздухом сталей У9 и У10 получается полностью перлитная структура, а стали 60 – нет. Сталь 60 будет иметь феррит по границам первичных аустенитных зерен, который будет окружен перлитом.

Когда скорость охлаждения стали увеличивается выше той, что дает сжатый воздух, в стали будет образовываться бейнит. Возникнет смесь различных структур – феррита, перлита, бейнита, а часто и мартенсита.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл и камни