MECHANIZM PRZEMIANY BAINITYCZNEJ W ŻELIWIE ADI

20/19 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19 Archives of Foundry Year 2006, Volume 6, Book 19 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 MECHANIZM PRZEMIANY BAINITYCZNEJ W ŻELIWIE ADI Z. ŁAWRYNOWICZ 1, S. DYMSKI 2 Akademia Techniczno-Rolnicza, Wydział Mechaniczny, Katedra Inżynierii Materiałowej, al.kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz STRESZCZENIE Badano mechanizm przemiany bainitycznej w żeliwie ADI z wykorzystaniem analizy termodynamicznej przemiany. W badanych temperaturach przemiany izote r- micznej nie uzyskano pełnej przemiany austenitu. W zakresie bainitu górnego przemianie towarzyszy wydzielanie cementytu, natomiast ausferryt jest produktem przemiany w niskiej temperaturze. Uzyskane wyniki badań potwierdzają występowanie zjawiska niepełnej przemiany, z zahamowaniem przemiany bainitycznej znacznie wcześniej zanim nieprzemieniony austenit uzyska stężenie węgla określone dla st anu pararównowagi. Stąd, uzyskane wyniki wskazują, że ferryt bainityczny tworzy się za pomocą mechanizmu ścinania, a następnie nadmiar węgla usuwany jest do austenitu szczątkowego. Wyniki badań przedyskutowano w kontekście mechanizmu przemiany. Key words: mechanism, bainite transformation, austempered ductile iron 1. KONTROWERSJE DOTYCZĄCE MECHANIZMU PRZEMIANY Określenie mechanizmu przemiany bainitycznej w żeliwie ADI umożliwia analityczne oszacowanie kinetyki przemiany, a tym samym modelowanie okna o bróbczego żeliwa. Ma to bezpośredni związek z technologią wytwarzania wysokojakościowych odlewów. Od lat 60-tych XX wieku istnieją zasadnicze kontrowersje dotyczące mechan i- zmu przemiany bainitycznej. Z jednej strony przemianę bainityczną traktuje się jako przemianę z granicą poślizgową zachodzącą mechanizmem ścinania [1-5], a bainit jako 1 dr inż., lawry@atr.bydgoszcz.pl 2 dr hab.inż. profesor ATR, StanisławDymski@atr.bydgoszcz.pl 171

płytkowo ukształtowany produkt przemiany fazowej odbywającej się na drodze ścinania [2]. Z drugiej strony bainit określany jest jako produkt dyfuzyjnego zarodkowania i dyfuzyjnego wzrostu za pomocą migracji stopni wzrostu dwóch faz (ferryt i cementyt), gdzie stopień zharmonizowania wzrostu cementytu i ferrytu jest niski, w odróżnieniu do perlitu gdzie zharmonizowanie jest wysokie [6, 7]. Przy wzroście bainitu mechanizmem ścinania istnieją dowody sugerujące, że chociaż listwy ferrytu rosną bezdyfuzyjnym mechanizmem ścinania, to nadmiar węgla w ferrycie jest wkrótce po tym usuwany do austenitu szczątkowego [8]. Austenit zatem jest stopniowo wzbogacany w węgiel, dopóki nie zostanie osiągnięty punkt, w którym staje się termodynamicznie niemożliwa jego dalsza przemiana według mechanizmu ścinania. Całkowicie bezdyfuzyjny mechanizm przemiany byłby ograniczony stężeniem węgla określonym liniami T 0 lub T 0 ', (czyli odpowiednio przy stężeniu węgla x lub x T 0 ' 172 ), podczas gdy przy możliwej dyfuzji węgla w czasie przemiany, ograniczony byłby przez stężenie odpowiadające granicy międzyfazowej w warunkach pararównowagi, A' 3 [3-5,8]. Krzywa T 0 reprezentuje umiejscowienie wszystkich punktów na wykresie temperatura stężenie węgla, w których austenit i ferryt (wolne od naprężeń) o tym samym składzie chemicznym posiadają również identyczną energię swobodną. Stąd austenit, który posiada stężenie węgla przekraczające wartość określoną przez krzywą T 0 nie może ulec przemianie bezdyfuzyjnej. Wzrostowi bainitu towarzyszy zmiana kształtu, którą charakteryzuje odkształcenie z płaszczyzną niezmienniczą z dużą składową ścinania. Odkształcenie wywołane w austenicie w czasie, gdy akomoduje on to odkształcenie zostało oszacowane na wartość 400 J/mol [8]. Krzywa T 0 zmodyfikowana w celu uwzględnienia tej energii odkształcenia nazywana jest krzywą T 0 '. Natomiast krzywa A' 3 reprezentuje granicę międzyfazową ( w warunkach pararównowagi, tj. wtedy, gdy istnieje równowaga między ferrytem i austenitem (wolnymi od naprężeń), podczas gdy stosunek zawartości substytucyjnych składników stopowych do żelaza jest jednakowy i niezmienny w obu fazach [9]. W celu określenia mechanizmu przemiany bainitycznej wydaje się celowe p o- równanie zmierzonego stężenia węgla w austenicie szczątkowym istniejącym w strukt u- rze żeliwa ADI na różnym etapie przemiany bainitycznej, do ekstrapolowanego stężenia węgla na granicach międzyfazowych A' 3, T 0 lub T 0 '. 2. BADANY MATERIAŁ Badaniom poddano niestopowe żeliwo sferoidalne o składzie chemicznym zamieszczonym w tabeli 1. Po odlaniu stwierdzono, że osnowa składała się z 40% ferrytu i 60% perlitu, natomiast udział grafitu w osnowie wynosił 11,5%. Temperatury początku przemiany T 0

ARCHIWUM ODLEWNICTWA bainitycznej i martenzytycznej obliczono zgodnie z [2,3,8] i wynoszą one odpowiednio: B S =437 o C i M S =245 o C. Temperatury przemiany izotermicznej wybrano między M S i B S i wynoszą one: 250,300, 350 i 400 o C, a czas przemiany od 15 do 240 minut. Tabela 1. Skład chemiczny badanego żeliwa sferoidalnego ADI w %wagowych Table 1. Chemical composition of ductile cast iron ADI, wt-% C Si Mn P S Mg Cr Ni Mo 3,21 2,57 0,28 0,061 0,01 0,024 0,036 0,098 0,015 Stężenie węgla w austenicie przed przemianą izotermiczną jak i w trakcie przemiany wyznaczono za pomocą dyfraktometru rentgenowskiego. Szczegółowy opis metody pomiaru podano w pracy [10]. Wyznaczona dylatometrycznie temperatura ko ń- ca przemiany podczas nagrzewania wynosiła Ac 1,2 =827 o C [10]. Stąd, po austenityzowaniu w temperaturze T =830 o C w czasie 60 minut uzyskano minimalne nasycenie austenitu węglem. Po hartowaniu martenzytycznym z temperatury T =830 o C zmierzone stężenie węgla w austenicie wynosiło x =0,65%C. W celu weryfikacji wykonano analityczne określenie stężenia węgla w austenicie przy wykorzystaniu zależności [11]: x 0,435 (0,33510 3 ) T (1,6110 0,006(%Mn ) 0,11(%Si ) 0,07(%Ni ) 0,014(%Cu ) 0,3(%Mo ) 6 ) T 2 (1) gdzie T jest temperaturą austenityzowania w o C. Po austenityzowaniu w temperaturze T =830 o C obliczone stężenie węgla w austenicie wynosiło x =0,659%C, czyli uzyskano dużą zgodność wyników, stąd do kolejnych obliczeń przyjęto stężenie węgla określone doświadczalnie, x =0,65%C. 3. ANALIZA MECHANIZMU PRZEMIANY BAINITYCZNEJ W tabeli 2 podano zmierzone stężenie węgla w nieprzemienionym austen i- cie, x, oraz oszacowane parametry wykresu równowagi fazowej badanego żeliwa. Obliczenia x T, x 0 T 0 ' i A' 3 wykonano jak w pracach [2-5, 8]. Na rys. 2 pokazano obliczony dla różnych warunków termodynamicznych wykres fazowy badanego żeliwa. Rys. 2 umożliwia porównanie zmierzonego stężenia węgla w austenicie w odniesieniu do stężenia oczekiwanego gdyby tworzenie się bainitu uległo zatrzymaniu po uzyskaniu przez austenit stężenia węgla danego przez granice A' 3, T 0 lub T 0 '. Granice te są rozumiane tak, jak zostały zdefiniowane przez Christiana i Edmondsa w pracy [12]. 173

174 Tabela 2. Zmierzone stężenie węgla w nieprzemienionym austenicie, x, oraz oszacowane parametry wykresu równowagi fazowej badanego żeliwa Table 2. Experimental values of carbon concentration in untransformed austenite, x, and calculated parameters of phase diagram of ductile cast iron T i, o C A 3 mole x T 0 mole x T 0 ' mole Zmierzone stężenie węgla w austenicie x, po okresie: 15 minut 240 minut 250 0,1805 0,0708 0,0555 0,0288 0,0620 300 0,1670 0,0645 0,0491 0,0368 0,0567 350 0,1507 0,0547 0,0408 0,0687 0,0727 400 0,1352 0,0471 0,0337 0,0545 0,0673 500 0,1018 0,0325 0,0217 600 0,0662 0,0218 0,0095 700 0,0342 0,0122 - Zmierzone stężenie węgla w austenicie zaznaczono na rys. 2 w postaci pun k- tów, dla początku przemiany po 15 min. wygrzewania, oraz po izotermicznym wygrzewaniu w czasie 240 minut. Widoczny jest wzrost stężenia węgla w austenicie wraz z wydłużaniem czasu przemiany, czyli wraz ze wzrostem stopnia przemiany bainitycznej. Z rys. 2 jest oczywiste, że powstawanie ferrytu bainitycznego zatrzymuje się znacznie wcześniej zanim austenit osiąga stężenie węgla odpowiadające warunkom pararównowagi. Całkowicie bezdyfuzyjny mechanizm przemiany byłby ograniczony stężeniem węgla określonym krzywą T 0, podczas gdy przy możliwej dyfuzji węgla w czasie przemiany, ograniczony byłby przez stężenie odpowiadające granicy międzyfazowej w warunkach pararównowagi, A' 3 [3-5]. Najlepszą zgodność pomiędzy danymi doświadczalnymi a obliczeniami uzyskano, gdy dokonano porównania w stosunku do stężenia określonego krzywą T 0, która odpowiada przemianie bezdyfuzyjnej. Uzyskane wyniki badań wskazują, że przemiana bainityczna mechanizmem ścinania może wystąpić tylko w obszarach austenitu gdzie spełniona jest zależność x x T0, gdzie x oznacza stężenie węgla w austenicie, a x T jest stężeniem węgla odpowiadającym granicy T 0 w danej temperaturze (rys.2) [3]. Analiza termodynamiczna 0 przemiany bainitycznej sugeruje, że zachodzi ona mechanizmem bezdyfuzyjnym, szczególnie w zakresie bainitu dolnego. Natomiast w bainicie górnym żeliwa ADI p o- wstawaniu ferrytu bainitycznego musi towarzyszyć wydzielanie cementytu, co sugeruje zmierzone stężenie węgla w austenicie pokazane na rys.2. Prowadzi to do wzrostu st opnia przemiany, gdyż węgiel związany w cementycie obniża maksymalną ilość węgla rozpuszczonego w austenicie.

Temperatura, o C ARCHIWUM ODLEWNICTWA 700 600 T 0 A 3 ' 500 400 T 0 ' B S =437 o C 300 200 _ x=0,0288 M S =245 o C 0 0,05 0,1 0,15 0,2 Stężenie węgla, ułamek molowy Rys. 2. Obliczony wykres układu równowagi fazowej badanego żeliwa ADI. Jasnymi punktami oznaczono wyznaczone stężenie węgla w austenicie na początku przemiany izotermicznej w temperaturze 400, 350, 300 i 250 o C (po 15 minutach), natomiast ciemnymi punktami na końcu procesu wygrzewania po 240 minutach Fig. 2. The calculated phase diagram for studied ADI. Light points correspond to the beginning of transformation at 400, 350, 300 and 250 o C (after 15 minutes), whereas the black points are for the end of austempering after 240 minutes 4. WNIOSKI 1. W żadnej z badanych temperatur (250, 300, 350 i 400 o C) zakresu bainitycznego nie nastąpiła całkowita przemiana austenitu na bainit. 2. W miarę postępu przemiany bainitycznej rośnie stężenie węgla w nieprzemienionym austenicie prowadząc do zahamowania jego dalszej przemiany. 3. Ponieważ stężenie węgla w austenicie w chwili zatrzymania przemiany bainitycznej jest bliskie zawartości odpowiadającej krzywej T 0 należy sądzić, iż wzrost ferrytu bainitycznego w badanym żeliwie ADI zachodzi mechanizmem bezdyfuzyjnym, po czym następuje dyfuzja nadmiaru węgla do nieprzemienionego austenitu. 175

LITERATURA [1] SJ Matas, RF Hehemann: The structure of bainite in hypoeutectoid steels. Trans AIME, 179 85 (1961). [2] HKDH Bhadeshia, DV Edmonds: The mechanism of bainite formation in steels. Acta Metall 28 1265 73 (1980). [3] HKDH Bhadeshia: Bainite in steels 2nd ed. London The Institute of Materials (2001). [4] Z. Ławrynowicz, A.Barbacki: Analiza mechanizmu izotermicznej przemiany bainitycznej w stali Cr-Mn-Si. Archiwum Nauki o Materiałach 17 127-147 (1996). [5] Z. Ławrynowicz: Mechanism of bainite transformation in Fe-Cr-Mo-V-Ti-C steel. International Journal of Engineering 12 81-86 (1999). [6] HI Aaronson, VF Zackay, editors. Decomposition of austenite by diffusional processes. New York: Interscience Publishers (1962). [7] H.I. Aaronson, G. Spanos, W.T. Reynolds: A Progress report on the definitions of bainite. Scripta Materialia 47 139-144 (2002). [8] HKDH Bhadeshia: A rationalization of shear transformations in steels. Acta Metall 29 1117 30 (1981). [9] HI Aaronson, BC Muddle, JF Nie, JP Hirth: Comparison of interfacial structurerelated mechanisms in diffusional and martensitic transformations. Metall Mater Trans A 33A 2541 7 (2002). [10] S. Dymski: Kształtowanie struktury i właściwości mechanicznych żeliwa sferoida l- nego podczas izotermicznej przemiany bainitycznej, Rozprawy nr 95, ATR Bydgoszcz, (1999). [11] S.H. Zahiri i inni: Materials Sci. Technology, vol. 17 1563-1568 (2001). [12] J.W. Christian, D.V. Edmonds: Int. Conf. on Phase Transformations in Ferrous Alloys, A.R. Marder and J.I. Goldstein, eds., ASM, Metals Park, OH, 293-326 (1984). MECHANIS M OF BAINITE TRANSFORMATION IN DUCTILE IRON ADI SUMMARY The mechanism of bainite transformation has been studied in ductile cast iron ADI by thermodynamic analysis. At any temperature investigated did not occur the complete transformation of austenite. The formation of upper bainite is probably accompanied by cementite precipitation. Obtained results confirm the incomplete reaction phenomenon with the cessation of the bainite transformation well before paraequilibrium is achieved. These experimental data indicate that bainitic ferrite forms by a displacive transformation mechanism, but soon afterwards, excess of carbon is partitioned into the residual austenite. The results are discussed in terms of the mechanism of the bainite transformation. Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Edward Guzik 176