Bainitt

Bainitt er en nålformet plateliknende mikrostruktur i austenittisk stål etter egnet varmebehandling. Bainitt kan videre deles i øvre og nedre bainitt som dannes ved ulike temperaturer og har forskjellige mekaniske egenskaper.

Bainitt i "semi-killed" stål sett gjennom et mikroskop

Navnet er etter den amerikanske metallurgen Edgar Collins Bain.

Dannelse

Bainitt dannes ved omvandling av austenitt, vanligvis ved temperaturer mellom ca. 250 og ca. 500 °C. Temperaturen vil være avhengig av kjemisk sammensetting og nedkjølingshastigheten.

Bainitt opptrer etter hurtig nedkjøling. Ved langsommere nedkjøling får en oftest perlitt og ved enda hurtigere nedkjøling martensitt. Under nedkjøling vil atomer flytte seg, men det tar tid. Karbonatomer beveger seg til korngrensene og danner karbider - oftest som cementittpartikler (Fe₃C). Er nedkjølingen hurtig får atomer får liten tid til å flytte seg særlig langt inne i kornstrukturen.

Bainitten vokser under nedkjølingen til samlinger (engelsk sheaves) av tynne plater av ferritt. Veksten av platene etterfølges av geometriendringer med store skjærlaster. Platene er til en viss grad skilt fra hverandre med en slags film (rester av blant annet austenitt eller sementitt), slik at spenningen av hele samlingen blir mye mindre enn innen hver plate. Platene innen en samling får omtrent den samme krystallretningen.

Nedre bainitt lages ved lavere temperaturer enn øvre bainitt. Ferritten i øvre bainitt blir fri for karbider, mens restene av austenitt får ansamlingen av karbon. Nedre bainitt får karbider (oftest sementitt) inne i selve ferritten. I nedre bainitt vil noe karbon fra overmettet ferritt bevege seg til den gjenværende austenitten, men mengden karbider som beveger seg fra austenitten er mindre enn i øvre bainitt. Hovedårsaken til forskjellene er trolig temperaturene som reduserer atomenes muligheter til å forflyttes seg. Forflytningene av karbid skjer etter veksten av bainitten. I en del legering med mye silisium eller aluminium er karbidbevegelsene neglisjerbare.

Bainitt dannes ved nedkjøling av rødglødende stål. En kan også skille mellom øvre og nedre bainitt. Øvre er om en er i nærheten av å danne perlitt. Figurene viser noen mulige nedkjølingsforløp:1. Avkjøling for å få martensitt (bråkjøling) 2. Avkjøling for å få bainitt (isotermisk) 3. Avkjøling for å få bainitt (anisotermisk) 4. Perlittområdet 5. Bainittområdet

Varmebehandling

Varmebehandling er oppvarming av bainitt med så lav temperatur at austenitt ikke dannes. Formålet er å bedre egenskapene ved at karbon og karbider flytter på seg.

Bainitten i seg selv inneholder lite karbon, da det har flyttet seg som grove sementitt-partikler. Flytting av grove partikler tar også lengre tid enn for eksempel i martensitt.

Dersom en har et høyt karboninnhold (mer enn 0,4%) kan varmebehandling ha en positiv effekt på restene av austenitt.

Bainitt får i motsetning til martensitt, normalt ikke videre varmebehandling før det kan tas i bruk.

Varmebehandling kan i noen tilfeller medføre at bainitten blir sprø. Legeringselementer som fosfor, tinn og i en mindre grad silisium kan bidra til sprøhet:

• Oppvarming til 650 grader kan føre til utskillelse av enkelte legeringselementer som fosfor, som kan medføre brudd i korngrensene. Det kan forebygges ved bråkjøling.
• Oppvarming til 300-350 grader kan øke innholdet av sementitt i grensene til austenitten og korngrensene svekkes.
• Oppvarming til 300-350 grader i en blanding av martensitt kan medføre at sementittpartiklene blir større, og store nok til å sprekke opp stålet lokalt. Dette danner så grunnlaget for videre oppsprekking. En kan forebygge dette ved å inkludere ca. 0,5% molybden. Det knytter seg til fosforatomene og forhindrer de å utskilles i korngrensene. Større mengder er ikke til nytte.

Egenskaper

Martensitten er lysere i fargen enn bainitt. Perlitten har derimot en perlemorsfarge. Bainitt er hardere og mer sprø enn perlitt. Herdestrukturen på bainitt ligner på martensitt, men er mindre hard og sprø. Egenskapene til martensitt kan forbedres ved varmebehandling, men ikke for bainitt.

Bainitt har vanligvis cementitt og ferritt med mange defekter i krystallstrukturen (dislokasjoner). Den høye konsentrasjonen av dislokasjoner i ferritten gjør den hardere enn det normalt ville være.

Hardheten øker lineært med karboninnholdet, med ca 190HV for hver volumprosent karbon (Vickers hardhet).

Den høyeste bruddstyrken som er oppnådd i bainitt er 1600MPa. Effekten av karbon på strekkstyrken er om lag 400MPa for hver volumprosent karbon. Styrken er ikke avhengig av kornstørrelsen i austenitten. Styrken reduseres ved oppvarming. Bainittisk stål har ikke en klar flytegrense, men en definerer oftest 0,2% tøyning som flyt.

Strekkforlengelsen ved brudd er bedre for bainitt enn for andre stål, mens arealreduksjonen er større.

Blandinger av bainitt og martensitt reduserer duktilitet, seighet og styrke. Det er knyttet til de store forskjellene i styrke. Ved å varmebehandle blandingen, blir styrkeforskjellene vesentlig mindre. Blandingen kan da få bedre egenskaper enn de to typene hver for seg. Det gjelder spesielt ved bruk av nedre bainitt. Bruk av ca. 20% nedre bainitt i martensitt fører til økt styrke og seighet.

Den geometriske formen med parallelle ferrittnålene kan medføre at spaltesprekker kan propagere.

Bruksområder

• Bilindustrien som del av høyfast stål for kollisjonsbeskyttelse.
• Kjetting av høy styrke (som R5) vil gjerne inneholde en blanding av bainitt og martensitt, med bainitt i midten av kjettingløkkene.