bainitt

Dannelsen av øvre bainitt starter ved at det mange steder på austenittkorngrensene dannes en klase/knippe/pakke (engelsk sheaf) av innbyrdes parallelle ferrittplater. Platene i en pakke vokser parallelt med hverandre innover i austenitten til de møter en austenittkorngrense eller platene i en annen pakke. Vekstretningen er bestemt av austenittens krystallstruktur, og i hvert austenittkorn er det et begrenset antall vekstretninger. Nye bainittplater kan vokse ut fra eksisterende pakker, og mikrostrukturen blir til slutt en broket blanding av platepakker, Figur 1.

Ferrittplatene løser mye mindre karbon enn den opprinnelige austenitten, og overskuddskarbonet diffunderer (beveger seg) ut av ferrittplatene og inn i austenitten mellom platene. Fra austenitten felles det derfor ut partikler av jernkarbid, sementitt (Fe₃C), på plategrensene, og austenitten kan dermed fortsette å transformeres til ferritt. Sementittpartiklene gjør øvre bainitt til en sprø mikrostruktur som bør unngås, for eksempel som følge av sveising. I stål med høyt karboninnhold kan sementitten danne kontinuerlige strenger på plategrensene.

Ferritten i øvre bainitt har en mindre utpreget plateform enn i nedre bainitt. Derfor blir ferritten i øvre bainitt ofte beskrevet med andre ord enn «plater». I engelskspråklig faglitteratur blir ordene laths (lekter) og needles (nåler) brukt i tillegg til plates.

I nedre bainitt foreligger ferritten i form av svært tynne plater, og denne bainitten dannes både fra austenittkorngrenser og inni kornene. Mikrostrukturen er mer broket enn i øvre bainitt fordi langt færre innbyrdes parallelle plater vokser ved siden av hverandre, og pakkestrukturen blir derfor mindre framtredende. Nedre bainitt dannes ved relativt lave temperaturer hvor diffusjonshastigheten er liten, og overskuddskarbonet rekker derfor ikke å diffundere ut av ferritten og inn i den omkringliggende austenitten. Utfelling av jernkarbid, oftest Fe_2,4C, skjer av denne grunn inni hver enkelt ferrittplate, Figur 2. Nedre bainitt likner derfor anløpt martensitt med hensyn til mikrostruktur og mekaniske egenskaper, og den er både sterkere og seigere enn øvre bainitt. Bruddstyrker på rundt 1600 MPa er oppnåelige. Nedre bainitt utnyttes derfor i industriell produksjon av ulike produkter. Fordelen med herding til nedre bainitt framfor martensittherding er at nedre bainitt ikke trenger en ekstra varmebehandling for å oppnå seighet, mens martensitt må anløpes.

Granulær bainitt (kornet bainitt) er et begrep som ofte brukes for å beskrive bainitt som dannes under kontinuerlig avkjøling. Begrepet brukes særlig innen industrien hvor det meste av stålet gjennomgår ikke-isoterm varmebehandling, for eksempel naturlig avkjøling fra austenitt-temperatur for å danne bainitt. Granulær bainitt dannes ved samme mekanisme som vanlig bainitt, men fordi mikrostrukturen dannes gradvis under avkjøling blir bainittpakkene ganske grove. Mikrostrukturen framtrer derfor som blokker av bainitt og austenitt, og dette er årsaken til navnet.

Granulær bainitt inneholder en høy tetthet av dislokasjoner som vanlig bainitt gjør, men karbidpartikler er ikke til stede i mikrostrukturen. Istedenfor å danne karbider bidrar karbonet som skilles ut fra den nydannede ferritten, til å stabilisere den omkringliggende austenitten. Dette skjer fordi karbon er et element som stabiliserer austenitt, og under den avsluttende avkjølingen vil denne austenitten delvis omvandles til høykarbon martensitt mens den gjenværende delen bevares ned til romtemperatur. Sluttstrukturen blir derfor en blanding av bainittisk ferritt, restaustenitt og høykarbon martensitt.

Omkring 1980 ble en ny type bainitt oppdaget. Ved tilsetting av omtrent 1,5-2 vektprosent silisium og aluminium som begge løses minimalt i jernkarbid, skjer bainittdannelsen uten utfelling av karbidpartikler. Fordi karbon stabiliserer austenitt blir den karbonrike austenitten mellom ferrittplatene dermed beholdt ned til romtemperatur. Sluttstrukturen består derfor av ferrittplater med en film av austenitt mellom platene, og den er derfor meget seig. Under isoterm transformasjon skjer dette i både øvre og nedre bainitt, henholdsvis over og under 400 °C. Ved svært lave transformasjonstemperaturer rundt 200 °C blir ferrittplatene ekstremt tynne (noen titalls nanometer), Figur 3. Styrken til denne bainitten er derfor svært høy med en flytespenning på nær 2000 MPa for et stål med omtrent 1 vektprosent karbon. Slik bainitt blir kalt nanostrukturert bainitt eller lavtemperaturbainitt.