بینیت
بینیت
(Bainite) در فولادها در گسترده ی دمایی بین پایین ترین دمای تشکیل پرلیت
(Pf) و بالاترین دمای تشکیل مارتنزیت (Ms) تشکیل می‌شود. از جمله مشخصه
های عمده دگرگونی بینیتی که مطالعه آن را مشکل نموده طبیعت دوگانه آن است.
بدین صورت که دگرگونی بینیت از بعضی جنبه ها شبیه به دگرگونی پرلیتی و از
برخی جنبه ها مشابه دگرگونی مارتنزیتی است. همانند پرلیت، محصول دگرگونی
بینیتی که بینیت نام دارد یک فاز نیست بلکه مخلوطی از دو فاز فریت و سمنتیت
است. بنابراین، دگرگونی بینیتی نیاز به تغییر ترکیب شیمیایی دارد و در
نتیجه برای انجام آن نفوذ کربن لازم است. از این رو دگرگونی بینیتی از
دگرگونی مارتنزیتی کاملا متمایز می‌شود. تغییر ترکیب شیمیایی که در ضمن
دگرگونی بینیتی انجام می‌شود شامل عناصر آلیاژی جانشینی که ممکن است در
فولادها وجود داشته باشد، نمی‌شود. به بیان دیگر، توزیع عناصر یاد شده در
ضمن تشکیل بینیت تغییر نمی‌کند. بنابراین، می‌توان گفت که درصد عناصر
آلیاژی یاد شده در فازهای فریت و سمنتیت ثابت و برابر همان ترکیب شیمیایی
اولیه آستنیت است. همچنین، تشکیل بینیت احتیاج به زمان دارد و در یک دمای
ثابت، چگونگی تغییرات درصد بینیت حاصل از آستنیت برحسب زمان مشابه تشکیل
پرلیت است.
علی رغم تشابه‌های پرلیت و بینیت و هم چنین دگرگونی های آن
ها مکانیزم تشکیل این دو ساختار از یکدیگر متفاوت است. برخلاف پرلیت، محصول
حاصل از دگرگونی بینیتی شامل لایه های متناوب فریت و سمنتیت نیست.
همچنین، قبلا دیدیم که پرلیت در تمام جهات با آهنگ یکسان رشد کرده و
سرانجام به شکل کروی در می آید، در حالی که بینیت به صورت صفحه ای (که از
جمله مشخصه‌های ویژه دگرگونی مارتنزیتی است) رشد می‌کند. در نمونه‌های
متالوگرافی شده، بینیت به صورت سوزنی شکل (مشابه مارتنزیت) ظاهر می‌شود.
همچنین، تشکیل صفحات بینیت همراه با اعوجاج سطحی است. بنابراین، احتمال
زیاد می‌رود که تشکیل صفحات بینیتی شامل برش شبکه‌ای باشد. لیکن، یک اختلاف
اساسی بین تشکیل واحدهای منفرد بینیت و مارتنزیت وجود دارد و آن عبارت از
آهنگ تشکیل آن هاست. معمولا صفحات مارتنزیتی تحت تأثیر نیروی محرکه زیاد
تشکیل می‌شوند. بنابراین، در کسر کوچکی از ثانیه تا اندازه نهایی خود رشد
می کنند. در حالی که صفحات بینیتی به طور آهسته و پیوسته رشد می‌کنند.
ظاهرا به علت زمان نسبتا زیاد برای نفوذ، رشد صفحات بینیتی به تأخیر می
افتد.
با توجه به پیچیدگی دگرگونی بینیتی، عدم وجود توافق کلی در رابطه
با مکانیزم تشکیل بینیت، تعجب آور نیست. یکی از نظریه‌های مربوط به دگرگونی
بینیتی می‌گوید که تشکیل بینیت اساسا ناشی از یک دگرگونی شبیه به دگرگونی
مارتنزیتی است که در آن فریت از آستنیت به وجود می آید. در این نظریه آمده
است که فریت موجود در ورقه های بینیت احتمالا در محل هایی از شبکه که در
اثر نوسانات حرارتی درصد کربن آن کاهش پیدا کرده جوانه می‌زند. لازم به
اشاره است که غلظت کربن در هر حجم بسیار کوچکی از شبکه ثابت نیست بلکه، در
اثر نوسانات حرارتی همواره در حال تغییر است. بنابراین، قابل قبول است که
در هر لحظه محل هایی در شبکه وجود داشته باشند که درصد کربن آنها به
اندازه کافی از حد متوسط کمتر باشد. علت اینکه فرض می‌شود که شروع تشکیل
بینیت با به وجود آمدن فریت همراه است، این است که با کاهش درصد کربن دمای
شروع تشکیل مارتنزیت (Ms) افزایش می یابد. بنابراین، در گستره دمایی مربوط
به تشکیل بینیت، مارتنزیت کم کربن (و یا به بیان دیگر فریت) مستقیما از
آستنیت به وجود می آید. بنابراین، فرض شده است که جوانه های اولیه بینیت
در حقیقت همان بلورهای بسیار ریز مارتنزیت کم کربن (و یا فریت)اند. نکته
دیگر که تقویت کننده این فرضیه است، از ارتباط جهت های بلوری بین فریت
موجود در پرلیت، فریت بینیتی و آستنیت اولیه نتیجه می‌شود. مطالعات نشان
داده‌اند که ارتباط جهت های بلوری مشابهی بین فریت بینیتی و آستنیت اولیه
با فریت پرویوتکتویید و آستنیت اولیه وجود دارد. در صورتی که ارتباط جهت
های بلوری بین فریت پرلیتی و آستنیت اولیه با فریت پرویوتکتویید و آستنیت
اولیه کاملا متفاوت است. در اینجا فرض بر این است که رشد تیغه‌های بینیتی
که بدین صورت جوانه زده و به وجود آمده‌اند، مشابه رشد تیغه های مارتنزیتی
است. با این تفاوت که در اینجا ادامه رشد مستلزم خارج شدن کربن از فصل
مشترک فریت بینیتی و آستنیت است. کربن به دو صورت از مرز بین آستنیت خارج
می شود، یکی نفوذ کربن به داخل آستنیت مادر و دیگری حرکت به سمت ذرات
سمنتیت که در فصل مشترک آستنیت - بینیت تشکیل شده‌اند.
براساس
میکروساختارها، دو شکل عمده بینیت وجود دارد، یکی بینیت بالایی (Upper
bainite) یا بینیت پر شکل (Feathery bainite) که در گستره دمایی درست زیر
دمای تشکیل پرلیت به وجود می آید و دیگری بینیت پایینی (Lower bainite) یا
بینیت سوزنی شکل (Acicular bainite) که در دماهایی نزدیک دمای Ms تشکیل
می‌شود.
بینیت بالایی
میکروساختار بینیت بالایی در شکل زیر نشان
داده شده است. در این شکل نواحی تیره رنگ بینیت و زمینه سفید رنگ آستنیت
باقیمانده در دمای تشکیل بینیت بوده که در اثر سریع سرد شدن به مارتنزیت
تبدیل شده است. علت تیره ظاهر شدن بینیت در زیر میکروسکوپ، به دلیل
ناهمواری های حاصل از حکاکی فریت در اطراف ذرات ریز سمنتیت است. سمنتیت در
این ساختار به قدری ریز است که با میکروسکوپ نوری قابل تشخیص نیست. در این
شکل، ظاهر پرشکل بینیت که از جمله مشخصه‌های ویژه و مهم بینیت بالایی
است، به خوبی مشخص است.
بینیت
بالایی در فولاد 4360 که (الف) در 495 درجه ی سانتیگراد و (ب) در 410
درجه سانتیگراد در دمای ثابت تشکیل شده است. میکروساختار نوری، محلول حکاکی
پیکرال. بزرگنمایی × 750
اولین مرحله دگرگونی تشکیل بینیت بالایی،
عبارت از تشکیل صفحاتی از فریت است که در مقیاس کوچکتر کاملا شبیه به صفحات
فریت ویدمن اشتاتن است. صفحات فریت می‌توانند در مرز دانه های آستنیت
اولیه و یا در داخل دانه ها به وجود آیند. با رشد صفحات فریت و در نتیجه
خارج شدن کربن از آن ها آستنیت باقیمانده در نواحی مجاور از کربن اشباع شده
و در نتیجه سمنتیت در فصل مشترک فریت - آستنیت جوانه می زند. پس از پایان
دگرگونی همدما، میکروساختار شامل زمینه فریتی است که ذرات ریز سمنتیت در
مرزهای فرعی و در جهت طولی صفحات فریت رسوب کرده‌اند . در شکل میکروساختار
الکترونی بینیت بالایی نشان داده شده است. در این شکل توزیع ذرات سمنتیت و
ارتباط آنها با صفحات فریت بینیتی کاملاً مشخص است. هرچه دمای دگرگونی
تشکیل بینیت کمتر باشد (ولی در گستره ی دمایی تشکیل بینیت بالایی قرار
داشته باشد) و یا اینکه درصد کربن بیشتر باشد، صفحات فریت ظریف تر است.
همچنین با افزایش درصد کربن، پیوستگی رشته‌های باریک سمنتیت در مرزهای فرعی
بیشتر خواهد شد.
شمایی از رشد بینیت بالایی.
بینیت بالایی در فولاد کربنی ساده با کربن متوسط – میکروساختار الکترونی
بینیت پایینی
میکروساختار
نوری از بینیت پایینی در شکل نشان داده شده است. از جمله مشخصه‌های ویژه
بینیت پایینی ظاهر سوزنی شکل آن است. در حقیقت، سوزن‌های فوق عبارت‌اند از
مقاطع صفحات بزرگ بینیتی با صفحه پولیش که شباهت زیادی به صفحات مارتنزیتی
در فولادهای پرکربن دارند. مجددا در اینجا ناحیه تیره رنگ بینیت و زمینه
سفید رنگ آستنیت باقیمانده در دمای دگرگونی تشکیل بینیت بوده که در اثر
سریع سرد کردن به مارتنزیت تبدیل شده است.
در اینجا نیز کاربیدهای موجود
در صفحات بینیتی باعث تیره رنگ جلوه دادن آنها می شود، ولی به قدری ریزند
که امکان تشخیص آنها توسط میکروسکوپ نوری وجود ندارد. همانند بینیت بالایی
در اینجا نیز اولین مرحله تشکیل بینیت پایینی عبارت از به وجود آمدن صفحات
فریت از آستنیت است. از آنجایی که نفوذ کربن در گستره دمایی تشکیل بینیت
پایینی بسیار کم است، صفحات فریت یاد شده بسیار نازک‌اند. با رشد فریت،
کربن در سطح وسیعی از فصل مشترک های تیغه های فریت و آستنیت جمع شده و پس
از اینکه به حالت فوق اشباع رسید، سمنتیت تشکیل می‌شود. در اینجا برخلاف
بینیت بالایی، سمنتیت به جای تشکیل در بین صفحات فریت، در داخل خود صفحات و
تحت زاویه ی 55 درجه با محور طولی صفحات فریت تشکیل می‌شود.
در مقایسه با سمنتیت مربوط به بینیت بالایی، سمنیت در بینیت پایینی بسیار ریزتر است. در شکل ، نحوه توزیع ذرات سمنیت و ارتباط آنها با محورهای طولی صفحات فریت کاملا مشهود است. مطالعات نشان داده است که در بعضی از بینیت‌های پایینی به جای سمنتیت، کاربید انتقالی (Transition carbide) یا کاربید اپسیلن (Epsilon carbide) وجود دارد. این نوع کاربید به ویژه در فولادهایی که دارای عناصری مانند سیلیسیم و آلومینیم باشند پایدار است.