Μπαινίτης

Μπαινιτική μικροδομή σε ζώνη συγκόλλησης κοινού ημικαθησυχασμένου χάλυβα, όπως παρατηρείται σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διερχόμενης δέσμης. Διακρίνονται μεγάλα λευκά πλακίδια φερρίτη, μεταξύ των οποίων υπάρχει σεμεντίτης.

Ο μπαινίτης είναι μικρογραφική δομή του χάλυβα που προκύπτει όταν ο χάλυβας θερμανθεί σε θερμοκρασία ανώτερη από την θερμοκρασία ωστενιτοποίησης και κατόπιν ψυχθεί σε τελική θερμοκράσια κατώτερη από την θερμοκρασία σχηματισμού περλίτη (δηλ. χαμηλοτέρη από περίπου 550°C) και υψηλότερη από την θερμοκρασία της έναρξης σχηματισμού μαρτενσίτη M_s (περίπου 250°C).

Η δομή του μπαινίτη, που αποτελείται από φερρίτη και σεμεντίτη, ανακαλύφθηκε την δεκαετία του 1930 από τους αμερικανό μεταλλουργό Έντγκαρ Μπαιν και τον μαθητή του Ντάβενπορτ (E. S. Davenport)^[1].

Σχηματισμός και δομή του μπαινίτη[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Κατά την απότομη ψύξη του χάλυβα, ο ωστενίτης μετασχηματίζεται μετατοπιστικά δίνοντας πλακίδια ή λωρίδες φερρίτη προσανατολισμένες προς μία κατεύθυνση, όπως συμβαίνει και κατά τον μαρτενσιτικό μετασχηματισμό. Ωστόσο, εξαιτίας της σχετικά υψηλής θερμοκρασίας του, σε αντίθεση με ό,τι συμβαίνει κατά τον μαρτενσιτικό μετασχηματισμό, ο άνθρακας προλαβαίνει να διαφύγει από το πλέγμα του ωστενίτη και σχηματίζει σεμεντίτη (Fe₃C) .

Για τελικές θερμοκρασίες 400–550°C, ο σεμεντίτης σχηματίζεται ανάμεσα στις προσανατολισμένες λωρίδες του φερρίτη, οπότε γίνεται λόγος για άνω μπαινίτη. Για τελικές θερμοκρασίες 250–400°C, ο άνθρακας σχηματίζει βελόνες σεμεντίτη μεγέθους της τάξης του 0,5 μm, μέσα στις προσανατολισμένες λωρίδες του φερρίτη, οπότε γίνεται λόγος για κάτω μπαινίτη^[2].

Η θερμοκρασία έναρξης σχηματισμού του μπαινίτη (B_s) εξαρτάται από την παρουσία άλλων κραματικών στοιχείων και υπολογίζεται από την παρακάτω εμπειρική σχέση^[3]:

B_s(°C) = 830 − 270(%C) − 90(%Mn) − 37(%Ni)− 70(%Cr) − 83(%Mo).

Μπαινιτικοί χάλυβες[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Σκαρίφημα διαγράμματος ισοθερμοκρασιακού μετασχηματισμού *Τ-Τ-Τ* για δύο διαφορετικούς χάλυβες: με 0,4% κ.β. C (κόκκινη καμπύλη), και 0,4% κ.β. C και 2% κ.β. Mn (πράσινη καμπύλη). Η περιοχή σχηματισμού του μπαινίτη σημειώνεται με το γράμμα B.

Ο μπαινίτης παρουσιάζεται συχνά κατά την βαφή των χαλύβων. Ο ρυθμός ψύξης στο εσωτερικό των διαφόρων προϊόντων χάλυβα (πλάκα, φύλλο, ράβδος, κ.λπ.) είναι πιο χαμηλός από τον ρυθμό ψύξης στο εξωτερικό. Οπότε, αν το πάχος του χάλυβα είναι σχετικά μεγάλο, στο εξωτερικό των βαμμένων αντικειμένων δημιουργείται μαρτενσίτης, αλλά στο εσωτερικό μπορεί να δημιουργηθεί μπαινίτης.

Η σκληρότητα του μπαινίτη είναι της τάξης των 400 HB (Brinell). Δηλαδή ο μπαινίτης είναι πολύ πιο σκληρός από τον φερρίτη, τον περλίτη και τον ωστενίτη, αλλά λιγότερο σκληρός από τον μαρτενσίτη και τον σεμεντίτη.

Ωστόσο, υπάρχουν και χάλυβες χαμηλού άνθρακα και με 0,5% κ.β. μολυβδαίνιο και ίχνη βορίου (~0,003% κ.β.) που σχηματίζουν πολύ εύκολα μπαινίτη για πολύ διαφορετικές τιμές ρυθμού ψύξης. Οι χάλυβες αυτοί αποκαλούνται μπαινιτικοί. Οι μπαινιτικοί χάλυβες με 0,2% κ.β. C παρουσιάζουν υψηλή εφελκυστική αντοχή που κυμαίνεται από 600 έως 1200 MPa. Μάλιστα όσο πιο χαμηλή είναι η θερμοκρασία B_s, τόσο μεγαλύτερη είναι η αντοχή του μπαινιτικού χάλυβα. Όμως, η αύξηση της αντοχής συνοδεύεται από απώλεια ολκιμότητας.

Οι μπαινιτικοί χάλυβες συνήθως δεν χρειάζονται περαιτέρω θερμική κατεργασία για βελτίωση των μηχανικών τους ιδιοτήτων. Επιπλέον, σε αντίθεση με τους μαρτενσιτικούς χάλυβες, είναι εύκολα συγκολλήσιμοι. Οι μπαινιτικοί χάλυβες βρίσκουν πολλές εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία. Οι σύγχρονοι νανομπαινιτικοί χάλυβες^[4] παρουσιάζουν εξαιρετικό ενδιαφέρον, μιας και η εφελκυστική αντοχή τους φτάνει τα 2500 MPa και είναι αρκετά όλκιμοι.

Βιβλιογραφία και άλλες σημειώσεις[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

↑ E. S. Davenport and E. C. Bain, "Transformation of austenite at constant subcritical temperatures", Transactions of AIME, vol. 90 (1930), pp. 117–154. Για την συμβολή του Μπαιν στην σύγχρονη μεταλλογνωσία, βλ. H. W. Paxton and J. B. Austin, "Historical account of the contributions of E. C. Bain", Metallurgical Transactions, vol. 3 (1972), pp. 1036–1042.
↑ "Bainitic steels: part one", key-to-steel.com. (Ανακτήθηκε στις 6/12/2007.)
↑ "Bainitic steels: part two", key-to-steel.com. (Ανακτήθηκε στις 6/12/2007.)
↑ Ένας τυπικός νανομπαινιτικός χάλυβας περιέχει 1% C, 1,5% Si, %1,9Mn, 0,25% Mo, 1,3% Cr και 0,1% V (κ.β.). Με θερμικό μετασχηματισμό στους 200°C αποκτά μπαινιτικές λωρίδες πάχους 20–40 nm μέσα σε ωστενιτικό μητρικό υλικό. Βλ. H. K. D. H. Bhadeshia, "The bainite reaction" Αρχειοθετήθηκε 2007-08-24 στο Wayback Machine., lecture notes, June 2007 (ανακτήθηκε στις 6/12/2007).

Εξωτερικοί σύνδεσμοι[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

H. K. D. H. Bhadeshia, Bainite in Steels, Institute of Materials, UK (2001). ISBN 1-86125-112-2 (H) (Αγγλικά).
E. C. Bain, The Alloying Elements in Steel, ASM International, Materials Park, Ohio, USA (1939) (Αγγλικά).
Physical Properties of Martensite and Bainite, The Iron and Steel Institute UK, Special Report 93 (1965) Αρχειοθετήθηκε 2016-11-25 στο Wayback Machine. (Αγγλικά).

[1] E. S. Davenport and E. C. Bain, "Transformation of austenite at constant subcritical temperatures", Transactions of AIME, vol. 90 (1930), pp. 117–154. Για την συμβολή του Μπαιν στην σύγχρονη μεταλλογνωσία, βλ. H. W. Paxton and J. B. Austin, "Historical account of the contributions of E. C. Bain", Metallurgical Transactions, vol. 3 (1972), pp. 1036–1042.

[2] "Bainitic steels: part one", key-to-steel.com. (Ανακτήθηκε στις 6/12/2007.)

[3] "Bainitic steels: part two", key-to-steel.com. (Ανακτήθηκε στις 6/12/2007.)

[4] Ένας τυπικός νανομπαινιτικός χάλυβας περιέχει 1% C, 1,5% Si, %1,9Mn, 0,25% Mo, 1,3% Cr και 0,1% V (κ.β.). Με θερμικό μετασχηματισμό στους 200°C αποκτά μπαινιτικές λωρίδες πάχους 20–40 nm μέσα σε ωστενιτικό μητρικό υλικό. Βλ. H. K. D. H. Bhadeshia, "The bainite reaction" Αρχειοθετήθηκε 2007-08-24 στο Wayback Machine., lecture notes, June 2007 (ανακτήθηκε στις 6/12/2007).

[1]

[2]

[3]

[4]