De bainietstructuur in staal

Bainiet is een staalstructuur die lijkt op hoogontlaten martensiet. Het vormt zich uit austeniet door afschrikken vanuit het austeniet-gebied in een zoutbad tussen 250–550°C en daar wordt het enige tijd op temperatuur gehouden. Men noemt het bainitisch harden of isotherm harden. Bainiet bestaat uit ferriet en cementiet. Vele dislocaties(stapelings-fouten) in bainiet maken het harder dan ferriet en perliet, maar minder hard- doch taaier- dan martensiet. De bainitische structuur vormt de bases voor moderne constructiestalen met hoge sterkte, goede taaiheid en lasbaarheid en redelijke weersbestendigheid zonder warmtebehandeling van het product achteraf, hetgeen pas mogelijk werd na recente modernisering van de staalwalserijen. Bainiet en martensiet komen niet in het ijzerkoolstof diagram voor omdat ze niet stabiel zijn en pas door een warmtebehandeling tot stand komen.

Het IT of TTT diagram

Het IT diagram ( Isothermische transformatie diagram) ofwel het TTT diagram (Time Temperature Transformation diagram) geeft inzicht in de vorming van de microstructuren bij de warmtebehandeling van een staalsoort. Elke samenstelling (legering) heeft zijn eigen TTT diagram. De constructie van het diagram gebeurt door snelle afkoeling vanuit het austeniet gebied naar de temperatuur Ts waarbij de structuur S zich vormt. Tijdens snelle afkoeling naar een lagere temperatuur wordt de vorming van de evenwicht-structuur perliet, die gebaseerd is op diffusie van ijzer en koolstof atomen, onderdrukt. Er is geen tijd voor de transformatie naar perliet. Na de snelle afkoeling wordt de temperatuur constant gehouden (vandaar isothermisch) tot de transformatie van structuur S heeft plaatsgevonden, om vervolgens het staal af te koelen tot kamertemperatuur. Tijdens het afkoelen tot kamertemperatuur verandert de structuur niet meer omdat de beweeglijkheid van de atomen te gering is voor transformaties. Deze procedure wordt voor een staalsoort tientallen maal bij verschillende temperaturen herhaald en zo ontstaat een IT ofwel TTT diagram van een staalsoort.Het opstellen van de IT diagram voor een staalsoort die door warmtebehandeling zijn gewenste eigenschappen krijgt is tijdrovend en dus relatief kostbaar. Maar in de datesheet van staal dat door warmtebehandeling zijn optimale eigenschappen krijgt behoren deze diagrammen aanwezig te zijn.

Het ontstaan van de perliet, bainiet en martensiet structuur

De mechanische eigenschappen zoals de hardheid van de bainietische structuur ligt tussen die van perliet en martensiet. De behandeling van bainiet kan men niet los zien van perliet en martensiet, er zullen ook in bainitisch staal gebieden voorkomen van perliet, martensiet en restausteniet door plaatselijke interne spanningen en temperatuur verschillen. De bainiet-structuur is gevraagd omdat het goede mechanische eigenschappen heeft. De eigenschappen van bainiet zijn te vergelijken met die van veredeld staal, echter zonder extra warmtebehandeling.De bainietstructuur wordt reeds tijdens het walsen in de staalfabriek gerealiseerd.

Bainiet wordt gevormd door snel afkoelen waarbij het perliet gebied ontweken wordt. De bainiet vormingstemperatuur wordt constant gehouden (isothermisch harden) tussen 250ºC en 550°C, afhankelijk wat men wenst, hoog of laag bainiet. Hoog bainiet is verwarmen tussen circa 400ºC en 550 °C en laag bainiet tussen circa 250ºCen 400°C. De hardheid van bainiet varieert van circa Rc 40 voor hoogbainiet tot circa Rc 60 voor laagbainiet. Ter vergelijking, de hardheid van Martensiet is circa Rc 65.

Het ontstaan van perliet

Volgens het ijzer-koolstof diagram bestaat bij circa 900 °C een laaggekoold staal uit austeniet. Onder circa 723 °C is austeniet niet stabiel en vindt er een omzetting plaats in ferriet en perliet. Perliet bevat 0,8% koolstof en bestaat uit laagjes ferriet(Fe) afgewisseld met laagjes cementiet (Fe3C).

Als onder-eutectisch (<0,8%C) staal langzaam afkoelt is de gevormde structuur van perliet en ferriet stabiel en af te lezen in het ijzer-koolstof diagram. De transformatie van austeniet naar perliet kost tijd omdat perliet groeit door diffusie van atomen. De diffusie wordt langzamer bij dalende temperatuur tot hij stopt. De consequentie van snel afkoelen is dat perliet-vorming al snel stopt terwijl er nog (instabiel) restausteniet aanwezig is dat als het ware ingevroren is en niet meer door diffusie van atomen kan transformeren in ferriet en perliet. Restausteniet kan gedeeltelijk omklappen tot martensiet bij lage temperaturen

Het ontstaan van martensiet

Austeniet dat snel afkoelt vormt martensiet door omklappen van het kubisch vlakken gecenterd rooster (KVR rooster) in een opgerekt (wegens te veel aan ingesloten koolstof atomen) kubisch ruimtelijk gecenterd rooster, het z.g.n tetragonaal rooster. Martensiet kan alleen bij lage temperatuur gevormd worden, als de spanning in het KVR rooster voldoende groot is om de transformatie-drempel te overwinnen. Het omklappen gebeurt bij de Ms temperatuur (starttemperatuur van martensiet-vorming). Alle koolstof atomen in het oorspronkelijke austeniet-rooster zijn ingevroren in het daardoor onder spanning staande tetragonale rooster. De spanning in dit rooster geeft martensiet zijn hardheid.

Het ontstaan van hoog en laag bainiet

In tegenstelling tot perliet, waar ferriet en cementiet samen uitgroeien, vormt bainiet zich uit met koolstof verzadigd ferriet door diffusie van koolstof en neerslaan (precipiteren) van cementiet. Er bestaat laag-bainiet, gekenmerkt door naaldachtige “stolling”structuur dat zich vormt bij temperatuur tussen 250 en 400°C, dichtbij de Martensiet starttemperatuur en hoog-bainiet dat zich vormt op hogere temperatuur tussen 400 en 550°C, dichtbij het perliet gebied en gekenmerkt door een "vogelveerachtige“ stollingstructuur. Het verschil komt door de diffusie-snelheid van koolstof bij de vormings-temperatuur van bainiet. Is de temperatuur hoog dan diffundeert koolstof snel uit het ferriet in het koolstof-rijke restausteniet en vormt daar veren van cementiet (Fe3C). Bij lage temperaturen diffundeert koolstof langzaam en slaat neer voordat het als een 'veer' kan uitgroeien.

Verschil tussen bainiet- en veredelingsstructuur

De bainiet-structuur en de veredeling-structuur lijken qua eigenschappen op elkaar maar hun vorming-mechanisme verschilt, ondanks het feit dat ze zich in het zelfde temperatuur-gebied vormen. Veredelen is het hoog-ontlaten (laag-ontlaten is harden) van martensiet. Er wordt daarbij snel afgekoeld (afschrikken) om martensiet te vormen die vervolgens weer gegloeid wordt op veredelingstemperatuur, een kostbare nabewerking. Bainiet wordt gevormd door snelle afkoeling van het staal uit het austeniet-gebied tot de temperatuur waar volgens het IT diagram bainiet gevormd wordt en deze temperatuur gedurende de bainiet vorming vast te houden, daarna af te koelen tot kamertemperatuur. De bainiet-structuur zal gedurende deze laatste afkoeling niet veranderen omdat de beweeglijkheid van de atomen te gering is.

Samenvatting theorie bainietvorming

Koolstof is een interstitieel atoom in ijzer, d.w.z het bevindt zich tussen de grotere ijzer atomen. Maximum oplosbaarheid in ferriet (KRR rooster) is circa 0.02 gew% bij 727 °C en bij lagere temperaturen praktisch nul. Het KRR rooster van ferriet heeft weinig bergplaats voor koolstof atomen. Maximale oplosbaarheid van koolstof in het KVR rooster van austenite is 2.14 gew.% bij 1147 °C, het KVR rooster van austeniet heeft een relatief grote ruimte tussen de ijzer atomen voor het bergen van koolstof atomen.

De mechanische eigenschappen van bainiet hangen samen met de microstructuur, d.w.z hoe ferriet en cementiet zijn verdeeld. De bainiet-transformatie geschiet door een afschuif-transformatie (omklappen) van het austenitische KVR rooster, zoals bij de vorming van martensiet. Er treedt slechts koolstof-diffusie op tijdens de vorming van de Fe3C carbides (cementiet) tussen de ferriet lagen. Het koolstof diffundeert uit het ferriet en vormt cementiet naast het ontkoolde ferriet. De bainiet-structuur heeft een hogere sterkte en hardheid als het in het TTT diagram gepasseerde perliet, maar is minder taai. Het is minder sterk en hard als het martensiet maar het is beduidend taaier dan martensiet.