Thermal stability of retained austenite in bainitic steel: Egy in situ vizsgálat

Bevezetés

A karbidmentes bainitos acélok, amelyekben a mikroszerkezet egy része bainitos ferrit és szénnel dúsított visszatartott ausztenit keverékéből áll, ma már a legkifinomultabb műszaki anyagok közé tartoznak. Alkalmazásuk az autóiparban (Matsumura et al. 1987a,b), a duktilis öntöttvasakban (Rundman & Klug 1982), a vasútvonalakon (Yates 1996; Bhadeshia 2007) és a páncélzatban (Caballero & Bhadeshia 2004; Bhadeshia 2005) alkalmazott alakítható ötvözetektől kezdve terjed. Az alapkoncepciónak számos változata is létezik, amelyek mind alapvető, mind alkalmazott szempontból intenzív kutatások tárgyát képezik (Saha Podder et al. 2007; Stone et al. 2008; Menapace et al. 2009; Sugimoto 2009; Caballero et al. 2010; Yi et al. 2010). Az ilyen jellegű, de a szén nanocsöveknél finomabb léptékű szerkezetek ma már kereskedelmi méretekben is előállíthatók, amint azt a közelmúltban áttekintették (Bhadeshia 2010).

A megtartott ausztenit egyik szerepe az acél alakíthatóságának fokozása (DeCooman 2004; Jacques 2004). A feszültség és az alakváltozás hatására átalakul, és ezáltal eléggé megnöveli a munkakeményedési sebességet ahhoz, hogy késleltesse a képlékeny instabilitást; maga az átalakulási alakváltozás kisebb szerepet játszik ebben a folyamatban (Bhadeshia 2002). Az ausztenit mechanikai stabilitása jól ismert, és a tulajdonságok szabályozásának mechanizmusaként szolgál.

Vannak azonban olyan körülmények, amikor az acélt, miután a kívánt mikroszerkezettel előállították, átmenetileg 400 °C-ot meghaladó, megemelt hőmérsékletnek teszik ki; erre példa a galvanizáló kezelés, amelynek során az acél egy olvadt, cinkben gazdag ötvözetből álló fürdőn megy keresztül. Egy másik eset az, amikor a repülőgép-hajtóművek tengelyeit, amelyek a használat során nem tapasztalnak magas hőmérsékletet, 500°C-ot meghaladó hőmérsékletre kell melegíteni a korrózióálló bevonatok felhordása érdekében. Lehetséges, hogy az ausztenit termikus stabilitása ezekben az esetekben nem lenne elegendő, ami a ferrit és cementit termodinamikailag stabilabb keverékévé történő bomlásához vezetne. Ezt szem előtt tartva Saha Podder & Bhadeshia (2010) megvizsgálta a szénnel dúsított megtartott ausztenit bomlásának kinetikáját az edzési hőkezelés függvényében, mikroszkópia és röntgendiffrakció kombinációjával a megemelt hőmérsékletre való kitérést követően környezeti hőmérsékletre lehűtött mintákon. Amikor a bainitos ferrit és a visszamaradt ausztenit (γr) keverékét az edzési hőmérsékletre melegítik, az ausztenit egy része hőbomláson megy keresztül bainitos ferrit (αb) és cementit (θ) keverékévé, de a maradék egy része martenzitté (α′) bomolhat a környezeti hőmérsékletre történő hűtés során. Ebből következik, hogy a mért mennyiségek a két bomlási reakció kombinációja, és nem csak a termikus bomlás hatása,

ahol az ausztenit mennyisége a folyamat minden szakaszában csökken.

A munka célja a termikus bomlás és az edzési hőmérsékletről való lehűlés során martenzitté történő átalakulás két reakciójának külön-külön történő jellemzése volt, nagyenergiájú szinkrotron röntgensugárzással végzett in situ kísérletek segítségével. A munka része annak az alapkutatásnak, amelynek során az ömlesztett nanoszerkezetű acélok termikus stabilitásának növelését reméljük (Bhadeshia 2010).

Kísérleti eljárás

Egy Fe-0,39C-4,09Ni-2.05Si tömegszázalékos ötvözetet 20 kg-os vákuumindukciós olvadékként állítottunk elő nagy tisztaságú alapanyagokból; ezt az anyagot korábban már vizsgáltuk a szerkezet és a tulajdonságok közötti kapcsolat megállapítására a bainitos ferrit és a visszamaradt ausztenit keverékei esetében, ahol az utóbbi fázis tömbök és filmek formájában is jelen van (Bhadeshia & Edmonds 1983a,b). A szilíciumtartalom biztosítja, hogy a cementit nem csapódik ki a bainit kialakulása során. Az MTDATA és a kapcsolódó TCFE adatbázis (NPL 2006) segítségével kiszámított egyensúlyi fázisfrakciókat, feltételezve, hogy az ausztenit, a ferrit és a cementit megengedett fázisok, az 1a. ábra mutatja.

Az ötvözetelőkészítési módszerek az eredeti munkában szerepelnek, de 12 mm hosszú és 8 mm átmérőjű hengeres mintákat készítettünk a Thermecmaster termomechanikai szimulátoron való használathoz. A gép egy környezeti kamrával van felszerelve, amelyet az ausztenitizálás során 2×10-4 Torr-ra evakuáltak. A mintát indukciósan melegítik, a hűtés pedig héliumot fújva közvetlenül a minta felületére történik. Az alkalmazott hőkezelést az 1b. ábra szemlélteti. Az izotermikus átalakítást követően néhány mintát 30-120 percig 400 °C-on temperáltunk hagyományos röntgenmérésekhez Philips függőleges diffraktométerrel, szűretlen CuKα sugárzással, a műszer 40 kV-on és 40 mA-en működött. Folyamatos pásztázási módot választottunk 0,05° s-1 sebességgel a 2θ=30-150° szögszélességen, 16,65 s gyűjtési idővel minden lépésnél. A CuKβ-sugárzás kiküszöbölésére egy ívelt grafitból készült másodlagos monokromátort használtak. Egy 1°-os divergens rés és egy 0,2 mm-es fogadó rés került alkalmazásra. A hőkezelések után négy, egyenként 8 mm átmérőjű korongot szeleteltek ki a mintából. Mindegyik mintát a szokásos metallográfiai technikákkal polírozták és 2 százalékos nitállal maratták, majd röntgenvizsgálathoz használták. A csúcsok helyzetét és a fázisokat az X’Pert HighScore Plus szoftver segítségével azonosítottuk. A visszamaradt ausztenit frakcióját Rietveld-finomítással (Rietveld 1967, 1969; McCusker et al. 1999) értékeltük.

A bainitos ferrit és ausztenit mikroszerkezetű, izotermikusan átalakított minták egy másik csoportját edzés nélkül tartottuk meg, hogy a folyamatot a folyamat menetének tanulmányozása céljából szinkrotron röntgensugárzással vizsgáljuk, a következő fejezetben leírtak szerint. Ehhez az izotermikusan átalakított anyagokból 10 mm hosszú és 0,8 mm átmérőjű hengeres mintákat forgácsoltunk. Az edzést a szinkrotronberendezésen 400 °C-on, forrólevegő-fúvó segítségével végeztük, miközben a mintát 0,50247 Å monokromatikus hullámhosszú, 10 mm vízszintes×0,6 mm függőleges méretű röntgensugárnak tettük ki. A fúvóban lévő hőmérsékletet egy platina minta hőtágulásának megfigyelésével kalibráltuk. Ehhez a franciaországi Grenoble-ban található Európai Szinkrotron Sugárzási Létesítmény BM01 svájci-norvég sugárvonala szolgált. A nagy felbontású pordiffrakciós mérésekhez egy robusztus kétkörös diffraktométer állt rendelkezésre (2. ábra). Mindegyik kör közvetlenül a forgástengelyre szerelt nagy pontosságú kódolóval rendelkezik. Ez a Bragg-Brentano diffraktométer transzmissziós geometriában működik. A 13 elemes Ge-detektor hat gyors számlálólánccal rendelkezik, hogy minden egyes elemzéshez egyszerre hat teljes mintát gyűjtsenek, 2θ=1,1°-os eltolással, a teljes adatgyűjtési idő minimálisra csökkentése érdekében.

A diffrakciós spektrumokat minden egyes minta esetében szobahőmérsékleten gyűjtöttük, mielőtt 400°C-on temperáltuk volna a további spektrumgyűjtéshez. Mindkét esetben a teljes szélesség félmaximum felbontás 0,01° volt. A 2θ tartományok 9-37,5° voltak szobahőmérsékleten és 11,5-22,5° az edzés során, a teljes felvételi idő 5 perc volt minden spektrum esetében. A melegítés és a hűtés gyorsan történt a forgó minta légfúvó fölé történő mozgatásával. Egy szilícium referenciamintát (NIST SRM-640c) használtunk a műszer kalibrálásához és az integrálásokhoz használt csúcs-szélesedési függvények kalibrálásához. A diffrakciós adatokat a MAUD (Materials Analysis Using Diffraction; Lutterotti et al. 1997) programcsomagban implementált Rietveld-módszerrel elemeztük.

A 3. ábrán látható módon három különálló temperálási sorozatot végeztünk, mindegyiknél a temperálási hőmérsékletet 400°C-on rögzítettük. Az I. és II. kezelés két szakaszból állt, az első 30, illetve 45 perces temperálásból, majd szobahőmérsékletre történő leállításból, amikor is diffrakciós adatokat gyűjtöttünk. A cél az volt, hogy megfigyeljük a visszamaradt ausztenit széntartalmának változását a hűtés során bekövetkező részleges martenzites átalakulás után (Saha Podder & Bhadeshia 2010). A második szakaszban a mintákat újra felmelegítették az edzési hőmérsékletre, és a megadott ideig tartották. Végül a mintákat szobahőmérsékletre hűtötték. A III. kezelés során a 180 perces időtartam alatt nem volt megszakítás, ezt követően a mintát szobahőmérsékletre hűtötték.

Eredmények

A 380 °C-on 2 órán át tartó izotermikus átalakítást követő mikroszerkezet bainitos ferrit és szénnel dúsított megtartott ausztenit keverékéből áll, amint az a 4. ábrán látható, amely az ausztenit két formáját is szemlélteti – tömbös és filmszerű. Ezt a szerkezetet ezután a szinkrotronműszerben temperálták, és 5 percenként adatokat gyűjtöttek. Az 5. ábra a visszamaradt ausztenittartalom változását mutatja az edzés során. A nulla edzési idő megfelel a minta izotermikusan átalakult állapotának, ahol a szobahőmérsékleten mért ausztenittartalom 0,19 volt. Ez a grafikon az összehasonlítás érdekében a szobahőmérsékleten mért alacsony energiájú röntgendiffrakciós adatokat is mutatja; ezek az adatok alacsonyabb ausztenit-tartalmat mutatnak, mint amennyit a szinkrotronkísérletek szerint az edzési hőmérsékleten létezett. Ennek az eltérésnek az értékeléséhez a szinkrotronmintát a 120 perces temperálás után, amikor a környezeti hőmérsékletre lehűlt, hagyományos röntgendiffrakcióval jellemezték; ez a konkrét mérés körként van ábrázolva az 5. ábrán, és azt mutatja, hogy az edzési hőmérsékleten létező ausztenit egy része a minta környezeti hőmérsékletre történő lehűlésekor bomlik. Pásztázó elektronmikroszkópiával megerősítették, hogy az edzési hőkezelés során nem következett be dekarbonizáció, amit a ferrit hiánya és a mikroszerkezet egyenletessége mutat, ahogy a felülethez közelítünk a 6. ábrán.

A hagyományos röntgensugárzásnak kisebb a penetrációja, mint a szinkrotron sugárzásnak, ezért a megtartott ausztenittartalom alulbecsléséhez vezethet, ha a minta a 400 °C-os edzés során dekarbonizálódott. Becslések szerint a röntgensugárzás behatolási mélysége Fe(γ)-ben CuKα céltáblával 0,5 és 1,7 μm között változik 20° és 150° közötti beesési szög (2θ) esetén (Marques et al. 2005). Szinkrotron sugárzás esetén a behatolási mélység 0,5 Å hullámhossz esetén 68-75 μm tartományban van (Dudley et al. 1989). Egy további kísérlet, amelyben a hagyományos röntgensugárral több mint 30 percig edzett és kémiailag polírozott mintákat nem eredményezett eltérő értékeket a visszamaradt ausztenittartalomra vonatkozóan, így a két technika között megfigyelt különbségek nem tulajdoníthatók felületi hatásoknak.

Kiemeltük, hogy az ausztenitnek kétféle morfológiája van jelen a mikroszerkezetben – a bainitos ferrit lemezei közé szorult tömbök és vékony filmek; a filmekről független kísérletekből tudjuk, hogy mechanikailag stabilabbak a martenzites átalakulással szemben (Bhadeshia & Edmonds 1983a) és szénben gazdagabbak (Self et al. 1981; Bhadeshia & Waugh 1982). A kétféle ausztenit kristályméret és rácsparaméter tekintetében különbözik egymástól, aminek következtében a röntgendiffrakciós spektrumokban a csúcsok aszimmetriát mutatnak, és így dekonvolutálhatók, amint az a 7. ábrán látható. Ha feltételezhető, hogy a filmes ausztenit nagyobb szénkoncentrációt tartalmaz, akkor a két csúcs közül a szélesebb a filmes fajtának felel meg, mivel nagyobb rácsparaméterrel és ezáltal kisebb θ Bragg-szöggel kell rendelkeznie; e csúcs szélessége összhangban van a filmes ausztenit finomabb méretarányával. Az axiális divergenciát nem vettük figyelembe a szinkrotroneredmények elemzésénél, mivel a vizsgált anyagban az axiális kiszélesedés nem járul hozzá a csúcs aszimmetriájához. Ezt egy standard szilíciummintával is megerősítettük, amely nem mutatott csúcsaszimmetriát (8. ábra).

A 9. ábrán az austenit mindkét formájának mennyiségi változását ábrázoljuk az I. edzési kezelés során. Az ábrán látható, hogy a tömbös ausztenit mindig nagyobb térfogattömeget tart meg, mint a filmek. Mind a tömbös, mind a filmes ausztenit térfogattartalma csökkent az edzés előrehaladtával, de ez a csökkenés a tömbös alkotórész esetében fokozatos, míg a filmes típus térfogattartalma a kezdeti szakaszban meredeken csökken, majd ezt követően alig változik. Hasonlóképpen elemezték mindkét ausztenitváltozat térfogatszázalékát a II. kezelés során (10. ábra). A tendencia hasonló az I. kezelésnél tapasztaltakhoz. Az egyetlen különbség a korábbi grafikonhoz képest az, hogy itt mindkét összetevő fokozatosan csökken az edzési idő előrehaladtával. Az ausztenit intenzitásának egyes összetevőinek dekonvolúciója érzékeny a profilillesztésre. Példaként az iteratív illesztés során a filmes és a tömbös ausztenit frakciói a 0,083-0,097, illetve a 0,096-0,108 tartományban helyezkednek el.

A T edzési hőmérsékleten az átalakulatlan ausztenit rácsparaméterét a szobahőmérsékletű (298 K) értékből a hőtágulási együttható, eγ,

3 segítségével számították ki.1

ahol T a hőmérséklet Kelvinben, aγ pedig az ausztenit rácsparaméterét jelenti. Az ausztenit e számításokban figyelembe vett hőtágulási együtthatója eγ=2,065×10-5 K-1 (Takahashi 1992). A tágulási együtthatóra azért van szükség, hogy az edzési hőmérsékleten mért aγ értéket át lehessen számítani a környezeti hőmérsékleten mért értékre, hogy az ausztenit összetételét meg lehessen becsülni. A visszatartott ausztenit széntartalmát a rácsparaméter és a Dyson & Holmes (1970) által közölt kémiai összetétel közötti összefüggés alapján számították ki. Ezt a kifejezést választottuk, mivel az a legteljesebb a különböző oldott anyagoknak az ausztenit rácsparaméterhez való hozzájárulása szempontjából, és használatát az atomszondás mérésekkel való ésszerű egyezés miatt validálták (Peet és mtsai. 2004; Garcia-Mateo & Caballero 2005; Caballero és mtsai. 2007).

Feltételezve, hogy a filmes ausztenit szénben gazdagabb, az ausztenit két formájának levezetett koncentrációit a 11a,b ábrán ábrázoltuk. A filmek következetesen nagyobb szénkoncentrációja megmagyarázza, hogy miért bomlanak le viszonylag gyorsan (9. ábra), mivel a cementit kicsapódásának hajtóereje nagyobb. Ezért, bár a filmek a hűtés során vagy feszültség hatására történő átalakulással szemben stabilabbak, az edzési hőkezelés során kevésbé stabilak, mint az alacsonyabb széntartalmú ausztenittömbök.

Az I. és II. edzési kezelések során a próbatesteket az 1. fázis után szobahőmérsékletre hűtöttük. A 11. ábrán látható, hogy mindkét alkalommal a film és a tömbös ausztenit széntartalma nőtt a 400°C-on mért értékhez képest az árasztás előtt és után. Ez csak akkor lehetséges, ha a stabilizálatlan ausztenit a hűtés során martenzitté alakul át, ami a maradék ausztenit széntartalmának növekedését eredményezi (Saha Podder & Bhadeshia 2010). A 2. szakasz utáni szobahőmérsékletű eredmények is hasonló viselkedést mutatnak, mivel a mintában még mindig 12,3 térfogatszázaléknyi ausztenit maradt meg.

Az in situ edzés során az átalakulás előrehaladása az összes ausztenittartalom változásán keresztül valósítható meg (12. ábra). A bomlási reakció 1 óra elteltével lassúvá válik, ennek következtében a II. és III. kezelést követően a szerkezetben maradt ausztenit mennyisége hasonló volt.

A 13. ábrán az edzetlen anyag szobahőmérsékleten, valamint 30 és 120 perces edzés után kapott szinkrotron röntgenmintái láthatók. Az edzés hatása az ausztenit (002) csúcsán figyelhető meg. Az alacsony energiájú röntgenképek eredményei a 14. ábrán láthatók, amelyek az ausztenit-csúcsok intenzitásának csökkenésén keresztül az ausztenit-frakció gyorsabb csökkenését mutatják. Az izotermikus átalakulás után az anyag 0,16±0,01 és 0,19±0,01 térfogattöredéknyi ausztenitet tartalmazott, alacsony, illetve nagyenergiájú röntgendiffrakcióval mérve.

A 15a. ábrán a temperálás utáni mikroszerkezet látható. A 2 órás edzés után a szerkezetben megmaradt ausztenit mennyisége 12,3 térfogat% volt. A mikroszerkezetben jól megfigyelhető a tömbös ausztenit, elsősorban a szemcsehatárokon; megjegyezhető, hogy a tömbös ausztenit nagyobb térfogatban van jelen a szerkezetben, ahogyan az a 9. és 10. ábrán látható. A transzmissziós elektronmikroszkópos vizsgálat kimutatta a cementitszemcsék jelenlétét az edzett próbatestben. A 16a. ábrán látható, hogy a cementit (θ) kicsapódik a szemcsehatárokon, és a megfelelő elektrondiffrakciós minta megerősíti a cementit fázist.

Összefoglaló

Az edzési hőmérsékleten végzett szinkrotron austenitmérések és a minták környezeti hőmérsékletre történő lehűtését követően kis energiájú röntgensugárzással detektált kisebb mennyiségek közötti eltérésekből (5. ábra) néhány egyértelmű következtetés vonható le. Kimutatták, hogy az eltérés nem magyarázható a dekarbonizációval.

Az eredmények tehát arra utalnak, hogy az edzési hőmérsékleten visszamaradt ausztenitmaradvány egy része martenzit átalakulással bomlik le a környezeti hőmérsékletre történő lehűlés során. Ez nem meglepő, mivel a karbidok kicsapódása csökkenti az ausztenit-martenzit átalakulás stabilitását (Saha Podder & Bhadeshia 2010).

Egy érdekes eredmény, hogy bár az ausztenit filmek köztudottan stabilabbak, mint a blokkok martenzit átalakulása, akár hűtéssel, akár feszültség alkalmazásával idézzük elő, a filmek kevésbé stabilak, amikor az edzés során a cementit kicsapódásával történő bomlásról van szó. Ennek oka egyszerű: a filmek szénben gazdagabbak, ezért nagyobb a hajtóerő a cementit kicsapódására.

Végezetül feltételezik, hogy ha az ausztenit régió kisebb, mint a cementitmag kritikus mérete, akkor ez utóbbi fázis egyáltalán nem alakul ki.

Footnotes