Il diagramma di fase ferro-carbonio è uno degli strumenti più fondamentali nella scienza dei materiali e nella metallurgia, fornendo una roadmap per comprendere l'evoluzione microstrutturale degli acciai e dei ghisa strutturali come si raffreddano dalle alte temperature.

Il diagramma di fase di ferro-carbo: una Fondazione per le trasformazioni di fase

Il diagramma di fase ferro-carbonio è la base del trattamento termico dell'acciaio. Mappeggia le fasi stabili (ferrite (α-iron), austenite (γ-iron), cementite (Fe3C) e liquido—come funzioni di temperatura e di tenore di carbonio (tipicamente fino a 6.67 wt% C, la composizione di cementite).

La scoperta e la classificazione di Bainite

Edgar CLT Bain e il suo collega E. S. Davenport descrissero per la prima volta bainite negli anni '30 studiando la decomposizione isotermica dell'austenite. Osservarono una microstruttura intermedia tra perlite e martensite, distinte nella sua mancanza di struttura lamellare e nella sua formazione a temperature inferiori al perlato "noso" ma sopra la temperatura di inizio martensita (Ms) .

Bainite superiore

Le forme di bainite superiori nella gamma di temperatura superiore di circa 450°C a 550°C. Si compone di grani di ferrite a forma di lato disposti in pacchetti, con particelle di cemento precipitate tra i lati ferrite. La trasformazione è controllata dalla diffusione ma con una diffusione limitata del carbonio: le partizioni di carbonio da ferrite supersaturi all'austenite rimanente, che poi si decompone in cementite lungo i confini del lath.

Bainite inferiore

La minore resistenza al bainite a temperature inferiori, approssimativamente 250°C a 450°C. Qui la diffusione del carbonio è ancora più limitata, e la trasformazione comporta un meccanismo di taglio simile alla formazione di martensite, seguita da rifiuto del carbonio e precipitazione di particelle di cemento finite con in le piastre di ferrite.

I tecnici di formazione del TTT Diagramma e Bainite

Per una determinata composizione in acciaio, il diagramma TTT traccia la trasformazione delle curve di inizio e di finitura su un'ascia di temperatura vs. log-time. L'austenite è prima riscaldata nella regione γ monofase, poi rapidamente raffreddata ad una specifica temperatura isotermica. A temperature appena sotto la temperatura eutectoide, perla che domina la perla.

Il naso di bainito si verifica in tempi di trasformazione significativamente più brevi del naso di perlite, il che significa che la bainite si forma prima se l'acciaio è inquinato a una temperatura nella zona di bainite. Se il tasso di raffreddamento è troppo lento, le forme di perlite invece; se troppo veloce, l'acciaio bypassa entrambi e produce martensite.

Diagrammi di trasformazione di raffreddamento continuo (CCT)

In pratica, il raffreddamento è raramente isotermico. I diagrammi CCT mostrano un comportamento di trasformazione sotto costante raffreddamento della regione austenite. Le curve CCT sono spostate a tempi più lunghi e temperature più basse rispetto alle curve TTT perché il raffreddamento continuo sopprime la trasformazione fino a quando non si raggiunge la minore sottoraffreddamento.

Parametri chiave che governano la formazione di Bainite

Diversi fattori influenzano se le forme di bainite, la sua morfologia e le sue proprietà finali:

  • Contenuto di carbonio: Il carbonio è il driver primario. Gli acciai a basso tenore di carbonio (0,0,3% C) tendono a produrre bainite superiore con una grande frazione di ferrite; gli acciai a medio-carbonio (0,3-0,6% C) possono formare bainite superiore e inferiore; gli acciai ad alta resistenza (0,6-1,0% C) spesso richiedono un controllo attento per evitare eccessivi.
  • Elementi di legatura: Elementi come il manganese, il cromo, il nichel, il molibdeno, e la cinetica di trasformazione del vanadio retard e del bainite.
  • La temperatura di cooling e isotermia di tenuta: Come notato, la temperatura di tenuta all'interno della gamma bainite determina il tipo di bainite. Le temperature più elevate nella zona di bainite producono bainite superiore; le temperature più basse producono bainite inferiore.
  • Grain size of genitore austenite:[] Una granulometria più fine prima si traduce in pacchetti e lati bainiti più sottili, migliorando la tenacità. Al contrario, i grani grossolani possono portare a grandi pacchetti che riducono la tenacità.
  • Deformazione:[] La deformazione plastica dell'austenite prima della trasformazione accelera la formazione del bainite e affina la ferrite bainitica. Questo viene sfruttato nella lavorazione termomeccanica (ad esempio, laminazione controllata) per produrre acciai bainitici con elevata resistenza.

Proprietà meccaniche di Bainite

La bainite offre un notevole portafoglio di proprietà meccaniche che lo rendono attraente per molte applicazioni. I lati di ferrite e i carburi dispersi offrono elevata resistenza alla resa, spesso nella gamma di 500–1200 MPa a seconda del contenuto di carbonio e del trattamento termico, mentre mantenere la buona duttilità dei ferri (l'allungamento 10–20%) e la resistenza all'impatto.

La relazione tra durezza e temperatura di trasformazione è monotonica: temperature di trasformazione più basse producono bainite più dure a causa di microstrutture più sottili e sovrasaturazione del carbonio più elevata in ferrite. Ad esempio, una tenuta isotermica di 300°C può produrre una durezza di 400-500 HV, mentre una tenuta di 500°C produce 250–350 HV. La resistenza all'usura migliora anche con temperature di trasformazione più basse a causa della compressione più difficile cementite.

La sua tenacità può essere inferiore a quella della martensite finemente incerta a livello di resistenza, in particolare negli acciai ad alto tenore di carbonio. Inoltre, le trasformazioni di bainite sono spesso incomplete, l'austenite mantenuta può rimanere, che può portare a effetti di plasticità indotta dalla trasformazione (TRIP) o pregiudicare la stabilità dimensionale. Il controllo dell'austenite mantenuto attraverso la tempra o la selezione di composizione è spesso necessario.

Processi di trattamento termico per Bainite

Due percorsi principali producono microstrutture bainitiche:

Austempering

L'asta è il metodo più diretto: l'acciaio è austenitized, poi quenched a una temperatura superiore al punto della signora e tenuto èaltramente nella gamma di trasformazione del bainite fino a quando la decomposizione è completa, quindi raffreddato a temperatura ambiente. I vantaggi includono la distorsione minima e la crepatura, durezza uniforme, e la resistenza migliorata rispetto alla tempra convenzionale.

Raffreddamento continuo (Diretto disacco e Tempera)

In alcuni casi, la bainite può formarsi durante il raffreddamento continuo se il tasso di raffreddamento è controllato con attenzione. Ad esempio, gli acciai a basso tenore di carbonio in lega di petrolio indeterminati nell'olio possono produrre una struttura mista di bainite-martensite. La tempra successiva può parzialmente trasformare la martensite in in intarsiato, lasciando la bainite in gran parte invariata.

Ferro da stiro ammortizzato (ADI)

ADI è una classe di materiale distinta in cui il ghisa duttile è austero per produrre una matrice di ferrite bainitico e austenite conservata (ausferrite).ADI offre eccellenti rapporti di resistenza-peso, resistenza all'usura e capacità di smorzamento, rendendolo popolare per macchinari pesanti, componenti di sospensione automobilistica e applicazioni militari. La reazione di bainite nei ghisa comporta la stabilizzazione di grandi quantità di austenite4

Applicazioni di Bainite nell'industria moderna

La combinazione unica di resistenza, resistenza e resistenza all'usura posizioni in acciaio bainitico in una vasta gamma di applicazioni:

  • Componenti automotivi:[[] Ingranamenti, alberi, assali e alberi a manovella spesso utilizzano acciai bainitici. La capacità di raggiungere alta durezza senza eccessiva distorsione è fondamentale per le parti di precisione.
  • Strumenti di taglio e muore:[ Gli acciai per utensili come A2, D2, e S7 possono essere austesi a produrre una matrice bainitica che resiste alla scheggiatura e alla fessura durante il servizio.
  • Applicazioni strutturali e minerarie:[ Gli acciai a bassa lega (HSLA) ad alta resistenza con microstrutture bainitiche sono utilizzati in acciaio conduttivo, vasi di pressione e attrezzature minerarie.
  • Aerospaziale e difesa:[[] I componenti per atterraggio, le involucri per missili e la placcatura dell'armatura beneficiano della resistenza alla fatica e alla resistenza alla bainite inferiore. Alcuni acciai ad alta resistenza come 300M (modificato AISI 4340) sono trattati termicamente in una struttura bainitica o martensitica-bainitica.
  • Auricolari e fissaggi:[] I cuscinetti a rulli, i cuscinetti a rulli e i bulloni pesanti sono spesso austesi a raggiungere una struttura bainite uniforme che resiste alla fatica a contatto con la laminazione e all'embrittlement dell'idrogeno.

Sviluppi moderni e direzioni di ricerca

La ricerca in bainite continua ad evolversi. Una notevole innovazione è bainite strutturato], sviluppato dal professor H. Kstenite H. Bhadeshia e dai colleghi dell'Università di Cambridge.

Gli strumenti di simulazione permettono ora agli ingegneri di predire la formazione di bainite utilizzando database termodinamici (ad esempio, Thermo-Calc, Dictra) e modelli cinetici. Questi strumenti incorporano il diagramma di fase ferro-carbonio, i coefficienti di diffusione e la cinetica di trasformazione per ottimizzare i programmi di trattamento termico. La crescente domanda di materiali leggeri ma forti nel trasporto e nell'energia rinnovabile assicura che la bainite rimarrà un focus della metallurgia fondamentale e applicata.

Conclusioni

La formazione di bainite, come si intende attraverso il diagramma di fase ferro-carbonio e le sue estensioni cinetiche (tramite TTT e CCT), illustra il notevole rapporto tra termodinamica e lavorazione.

Riferimenti esterni:[