Бейніт

Бейнітна зона, утворена у процесі зварювання сталі. Зображення отримане за допомогою електронної мікроскопії

Бейні́т [ англ. bainite, від прізвища металурга Бейна (англ. Bain)] — структурний складник сталі, що формується внаслідок проміжного перетворення аустеніту в певному температурному інтервалі між перлітним (див. Перліт) і мартенситним (див. Мартенсит) перетвореннями.

Історична довідка

Перші систематичні дослідження бейніту пов’язані з побудовою діаграм ізотермічного перетворення аустеніту (TTT-діаграм). У ранніх роботах нову структуру називали «мартенсит-трооститом» на честь хіміків А. Мартенса (1850–1914; Німеччина) та Л.-Ж. Трооста (Труста; 1825–1911; Франція). Термін бейніт походить від прізвища металурга Е. К. Бейна (1891‒1971; США), який разом із металознавцем Е. С. Девенпортом (США) у 1920–1930-х досліджували фазові перетворення сталі.

Вивчення бейнітного перетворення стало одним із ключових напрямів фізичного металознавства 20 ст. Значний внесок у цей напрямок зробили вчені Г. К. Бхадешія (нар. 1953; Кенія), М. Гіллерт (1924–2022; Швеція), А. Р. Трояно (1911–1999; США) та інші. Дослідження фазових перетворень у сталях та термічної обробки металів пов’язані з українською науковою школою, основу якої заклали Г. Курдюмов, І. Новиков (1907–1983), Ю. Лахтін (1929–2007) та інші. Їхні праці стали основою сучасного вчення про бейнітні структури та кінетику перетворення аустеніту.

Характеристика

Бейніт є продуктом розпаду переохолодженого аустеніту за температур, нижчих за область перлітного перетворення, але вищих за температуру початку мартенситного перетворення (зазвичай в інтервалі близько 250–550 °C залежно від хімічного складу сталі). Структурно бейніт — дисперсна суміш феритів та карбідів заліза (цементиту). На відміну від перліту, бейніт не має чіткої пластинчастої будови. Для нього характерна голчаста або пір’їста морфологія.

Властивості бейнітних сталей (визначаються температурою утворення, швидкістю охолодження, концентрацією вуглецю та легувальних елементів):

висока межа міцності;
підвищена зносостійкість;
добра ударна в’язкість;
висока опірність утомі;
стабільність розмірів після термічної обробки.

Для поєднання високої міцності та пластичності застосовують ізотермічне гартування (аустемперинг), за якого сталь після аустенізації швидко охолоджують до температури бейнітного перетворення і витримують до повного утворення бейніту.

На діаграмах ізотермічного перетворення сталі бейнітна область розташована нижче перлітної області та вище температури початку мартенситного перетворення. Характерною особливістю бейнітного переходу є поєднання елементів зсувного механізму та дифузійного перенесення вуглецю. Швидкість бейнітного перетворення залежить від температури, вмісту вуглецю, наявності легувальних елементів, ступеня переохолодження аустеніту. На кінетику бейнітного перетворення істотно впливають легувальні елементи (Cr, Mo, Ni, Mn, Si та ін.). Бейнітний перехід супроводжується зміною кристалічної ґратки аустеніту та утворенням феритних пластин із високою густиною дислокацій. Саме дисперсність структури й дефектність кристалічної будови забезпечують високу твердість бейніту. Мікроструктура бейніту поєднує порівняно високу міцність із задовільною пластичністю та ударною в’язкістю.

У наноструктурованих бейнітних сталях товщина феритових пластин може становити десятки нанометрів, що дозволяє досягати надзвичайно високих показників міцності за достатньої пластичності.

Утворення

У металознавстві існують дві основні концепції механізму утворення бейніту:

дифузійна, згідно з якою перетворення супроводжується дифузією вуглецю;
бездифузійна (зсувна), відповідно до якої феритні пластини формуються подібно до мартенситу, а подальший розподіл вуглецю відбувається після зсувного перетворення.

Сучасні уявлення поєднують обидва механізми: формування бейнітного фериту має переважно зсувний характер, тоді як перерозподіл вуглецю та виділення карбідів відбуваються дифузійно.

Різновиди

У залежності від температури бейнітного переходу виокремлюють:

верхній бейніт — формується за вищих температур (близько 350–550 °C), має пір’їсту структуру і виділення карбідів між пластинами фериту;
нижній бейніт — формується за нижчих температур (близько 250–350 °C), має тоншу дисперсну структуру, вищу твердість і міцність, карбіди виділяються всередині феритових пластин.

Значення

Практичне значення бейніту зумовлене можливістю отримання високих механічних характеристик без надмірної крихкості. Бейнітні структури широко використовують у виробництві: рейкових сталей; ресор і пружин; деталей трансмісій; зубчастих коліс; високоміцних листових сталей; броньових сталей; труб великого діаметра; деталей авіаційної та автомобільної техніки.

Література

Bain E. C., Davenport E. S. Transformation of Austenite at Constant Subcritical Temperatures // Transactions of the American Institute of Mining and Metallurgical Engineers. 1930. Vol. 90. P. 117–154.
Bhadeshia H. K. D. H. Bainite in Steels: Theory and Practice. 3rd ed. London : Maney Publishing, 2015. 616 p.
Honeycombe R. W. K., Bhadeshia H. K. D. H. Steels: Microstructure and Properties. 4th ed. Oxford : Butterworth-Heinemann, 2017. 456 p.
Porter D. A., Easterling K. E., Sherif M. Phase Transformations in Metals and Alloys. 3rd ed. Boca Raton : CRC Press, 2009. 520 p.
ASM Handbook. Vol. 4: Heat Treating. Materials Park : ASM International, 2013. 2432 p.