Utente:Enrico Chiappini/Sandbox2

La bainite è una particolare struttura dell'acciaio, che si forma dall'austenite (la struttura cristallina cubica a facce centrate del ferro-Υ) tramite un raffreddamento rapido. È stata per la prima volta osservata da Davenport E. S. e da Edgar Bain.

Ha una struttura fine e non lamellare, composta da cementite e ferrite ricca di dislocazioni, caratteristiche che ne aumentano la durezza e le proprietà meccaniche. Si forma tra i 125°C e i 550°C, anche se la temperatura di inizio della trasformazione può essere diminuita con l'aggiunta di elementi in lega (il carbonio è uno di questi) o aumentata (ad esempio aggiungendo alluminio o cobalto). La microstruttura della bainite e della martensite sono a prima vista molto simili, in quanto condividono diversi aspetti del loro meccanismo di trasformazione, ma esistono delle differenze morfologiche osservabili con il microscopio elettronico. La bainite può essere prodotta sia con un raffreddamento continuo che con un mantenimento isotermico, il che facilita la produzione di grandi componenti senza l'eccessiva aggiunta di elementi in lega. Inoltre, a differenza degli acciai martensitici, generalmente le leghe basate sulla bainite non necessitano di ulteriori trattamenti termici, che hanno il fine di ottimizzare la resistenza meccanica e la tenacità del materiale, dopo la trasformazione.

Storia

Intorno al 1920 Davenport e Bain scoprirono una nuova microstruttura dell'acciaio che era una via di mezzo tra la martensite a basse temperature e la perlite-fine. Questa microstruttura fu successivamente chiamata bainite dai colleghi di Bain dell'United States Steel Corporation, anche se dovette passare un po' di tempo prima che il nome fosse adottato dalla comunità scientifica, pertanto il termine bainite non comparve nei libri fino al 1947. Bain e Davenport notarono inoltre l'esistenza di due forme distinte: la bainite superiore, che si forma a temperature più alte, e la bainite inferiore, che si forma nei pressi della temperatura di formazione della martensite.

Formazione

Sopra i 900°C un acciaio a basso contenuto di carbonio è interamente composto da austenite, una fase del ferro con reticolo cristallino a facce centrate. Raffreddandosi l'austenite tende a trasformarsi in più fasi, ferrite e cementite, le cui quantità dipendono dalla composizione chimica dell'acciaio. Una lega eutettoidica sotto i 727°C si trasforma in perlite - una struttura lamellare formata da lamelle alternate di fase α (ferrite) e fase Fe₃C (cementite).

Le trasformazioni di fase sono influenzate dalla termodinamica e dalla cinetica chimica del sistema; in particolare la diffusione degli atomi di ferro diventa difficile al di sotto dei 600°C nelle tipiche condizioni di lavorazione. Questa mobilità limitata porta a una maggiore complessità delle microstrutture dell'acciaio che vengono influenzate dalla velocità di raffreddamento, come mostrato dalle curve CCT (Continuous Cooling Transformations), diagrammi che rappresentano il tempo necessario a formare una fase quando un campione è raffreddato a una data velocità e raffigurano le regioni nel piano tempo-temperatura a partire dalle quali possono essere dedotte le frazioni di fase previste per un determinato ciclo termico.

Se l'acciaio è raffreddato lentamente o tramite trasformazioni isoterme ad alte temperature, la struttura ottenuta sarà prossima all'equilibrio, contenendo per esempio ferrite-α, cementite e perlite. La trasformazione da austenite a perlite richiede un movimento su larga scala degli atomi di ferro e carbonio. Mentre il carbonio interstiziale si diffonde rapidamente anche a moderate temperature, l'auto-diffusione del ferro diventa estremamente lenta sotto i 600°C, finché per fini pratici, si ferma. Di conseguenza, con un raffreddamento rapido, l'acciaio può raggiungere temperature a cui la perlite non può più formarsi nonostante la reazione sia incompleta, e perciò rimane dell'austenite termodinamicamente instabile.

L'austenite che è raffreddata in modo sufficientemente rapido, senza alcuna diffusione di ferro o carbonio, può formare la martensite tramite la deformazione della struttura cristallina cubica a facce centrate dell'austenite in una struttura tetragonale a corpo centrato. Questa fase di non-equilibrio si può formare solamente a basse temperature, in cui la forza trainante della reazione riesce a superare la tensione del reticolo. La trasformazione è indipendente dal tempo e la frazione di fase dipende unicamente dalla velocità dei raffreddamento al di sotto della temperatura di "martensite start". Inoltre, poiché avviene senza la diffusione di atomi sostituzionali o interstiziali, la martensite eredita la composizione dell'austenite da cui è generata.

La bainite occupa la regione intermedia a questi due processi, in un intervallo di temperatura in cui l'auto-diffusione del ferro è limitata ma la forza trainante è insufficiente a formare martensite. La bainite, come la martensite, si genera senza diffusione del ferro, ma parte del carbonio o si accumula nell'austenite rimanente o precipita in cementite. Inoltre si fa una distinzione tra bainite inferiore, che si forma a temperature vicine a quella di "martensite start", e bainite superiore, che si forma a temperature più alte; questa differenza è determinata dalla velocità di diffusione del carbonio alla temperatura della trasformazione. Ad alte temperature il carbonio si diffonde rapidamente, lontano dalla ferrite appena formatasi, e origina dei carburi nella restante austenite ricca di carbonio tra le placchette di ferrite. A basse temperature il carbonio si diffonde più lentamente e può precipitare prima che possa lasciare la ferrite bainitica.

Si considerino i diagrammi di trasformazione isoterma (detti anche "diagrammi di Bain"). Queste curve vengono dette TTT (Time Temperature Transformations) e sono ottenute sperimentalmente interpolando i dati del raffreddamento a temperatura costante di un acciaio: se vi si esamina la trasformazione dell'austenite, sotto il naso della curva a "S", si trova che il sottoraffreddamento (la temperatura è inferiore ai 550 °C) permette inizialmente la nucleazione e l'accrescimento della ferrite, e successivamente quello di un carburo di ferro detto carburo-ε, (la cui stechiometria è diversa da quella della cementite). La prima si forma al bordo grano austenitico sotto forma di ago mentre la seconda nasce per precipitazione del carbonio al bordo grano della ferrite, sotto forma aciculare. La struttura risultante è la bainite.

Quando formata tramite raffreddamento continuo, rappresentato dalle curve CCT (Continuous Cooling Transformations) di trasformazione anisoterma dell'austenite, la velocità di raffreddamento per la formazione di bainite è maggiore di quella richiesta per la perlite, ma minore di quella per la martensite, in acciai con la stessa composizione.

Si distingue la bainite superiore (si forma per mantenimenti isotermi tra i 500°C e i 400 °C) da quella inferiore (si forma per mantenimenti isotermi tra i 400°C e i 250°C), nonostante abbiano entrambe una struttura aciculare. La bainite superiore, infatti, è costituita da lamelle di ferrite in cui sono disperse lunghe particelle di carburo-ε, invece la bainite inferiore è composta da sottilissimi aghi di ferrite in cui sono finemente disperse lamelle di carburi orientate a 60° rispetto alla direzione dell'ago ferritico. Inoltre la prima ha proprietà meccaniche scadenti dovute a una struttura più grossolana, mentre la seconda ha duttilità e tenacità associate a durezza e resistenza meccanica, in quanto la sua struttura più fine permette una buona dispersione della cementite nella ferrite e numerose dislocazioni.

La bainite è generalmente più dura e duttile della perlite, dato che alle temperature alle quali si ha la trasformazione bainitica i moti diffusivi sono molto lenti e le strutture che si formano saranno molto fini, e lo saranno tanto più quanto minore è la temperatura.

Morfologia

Tipicamente la bainite si manifesta come aggregati, "fasci", di aghi di ferrite separati dalla rimanente austenite, martensite o cementite. Mentre gli aghi appaiono separati quando visti in una sezione bidimensionale, essi sono interconnessi nelle 3-dimensioni e di solito hanno una morfologia lenticolare. Gli stessi fasci hanno una forma a cuneo con l'estremità più fine coincidente con il sito di nucleazione.

Lo spessore degli aghi di ferrite cresce con la temperatura della trasformazione, anche se recenti modelli di rete neurale hanno indicato che lo spessore è un effetto diretto della temperatura ma piuttosto della dipendenza dalla temperatura della forza trainante la reazione e della resistenza dell'austenite che circonda gli aghi. A temperature più alte la ridotta forza trainante causa la diminuzione della velocità di nucleazione che permette ai singoli aghi di accrescersi maggiormente prima di urtarsi l'un l'altro. Inoltre, la crescita degli aghi deve essere permessa dallo scorrimento plastico dell'austenite intorno a essi, che è più difficoltoso nel caso di un'austenite più resistente.

Bainite superiore

La bainite superiore si forma tra i 400°C e i 550°C in aghi. Questi aghi contengono diversi strati di ferrite che sono più o meno paralleli tra loro e che hanno una relazione di Kurdjumov-Sachs con l'austenite circostante, anche se questa relazione si degrada allo scendere della temperatura. La ferrite in questi aghi ha una concentrazione di carbonio sotto lo 0,03%, il che comporta un'austenite ricca di carbonio intorno.

La massa di cementite che si forma tra gli aghi è basata sul contenuto di carbonio dell'acciaio. Per acciai poveri in carbonio, si formano generalmente placchette discontinue o piccoli pezzi di cementite tra gli aghi, mentre per acciai ad alto contenuto di carbonio le placchette diventano continue lungo i bordi degli aghi.

Bainite inferiore

La bainite inferiore si forma tra i 250°C e i 400°C e ha una forma più piatta della bainite superiore. Nella bainte inferiore la cementite nuclea sull'interfaccia tra la ferrite e l'austenite.

Trasformazione incompleta

La trasformazione incompleta si riferisce al fatto che in assenza di precipitato di carbonio, la reazione della bainite si ferma ben prima che l'austenite raggiunga il suo equilibrio chimico, nel punto in cui le energie libere dell'austenite e della ferrite, alla stessa composizione, si eguagliano e la trasformazione diventa quindi termodinamicamente impossibile.

Recenti ricerche sulla bainite hanno scoperto che a una data temperatura solo una frazione del volume dell'austenite si trasforma in bainite, mentre il resto si decompone in perlite dopo un lungo lasso di tempo. La frazione di bainite che si può formare aumenta al diminuire della temperatura. Questo è spiegato dal fatto che quando la ferrite bainitica si forma viene espulso del carbonio supersaturo nell'austenie circostante che quindi la stabilizza termodinamicamente per le successive trasformazioni.

Differenze tra martensite e bainite

Essenzialmente, la bainite può essere considerata martensite che si tempra nel corso della trasformazione. Si forma a temperature più alte della martensite, perciò l'austenite da cui ha origine è meccanicamente più debole e in grado di deformarsi plasticamente, diminuendo la tensione provocata dalla trasformazione in bainite. Le crescenti placchette di bainite, quindi, incontranoun gran numero di dislocazioni che ne arrestano la crescita prima che esse abbiano raggiunto il bordo-grano austenitico, e possono per questo essere più piccole di quelle di martensite nello stesso acciaio.