Was ist Bainit?
Bainit, im deutschsprachigem Raum auch als Zwischenstufengefüge bekannt, ist ein Gefüge, welches bei einer Wärmebehandlung von kohlenstoffhaltigem Stahl entstehen kann. Die Entstehung erfolgt durch eine isotherme Umwandlung oder eine kontinuierliche Abkühlung des Stahls. Benannt nach dem US-amerikanischen Metallurgen Edgar C. Bain, bildet es sich bei Temperaturen sowie Abkühlgeschwindigkeiten, die zwischen denen für die Martensit- bzw. Perlitbildung liegen. Bei der Entstehung von Bainit sind unterschiedliche Umwandlungsmechanismen möglich, da Umklappvorgänge im Kristallgitter und Diffusionsvorgänge gekoppelt sind. Dies ist ein entscheidender Unterschied zu der Bildung von Martensit. Bainit besitzt kein charakteristisches Gefüge. Geschuldet ist dies der Abhängigkeit zwischen Kohlenstoffgehalt, Abkühlgeschwindigkeit, Legierungselementen und der daraus folgenden Bildungstemperatur. Wie Perlit, besteht Bainit aus den Phasen Ferrit und Zementit. Jedoch weist das Gefüge eine andere Form, Größe und Verteilung auf. Es kann in die Hauptgefügeform oberer und unterer Bainit unterteilt werden.
Definition
In der Literatur gibt es zurzeit verschiedene Definitionen des Bainits. Da diese an bestimmte Phänomene der Phasenumwandlung geknüpft sind, kann über die Richtigkeit der einzelnen Definition nicht eindeutig entschieden werden. Dieser Umstand kann zu großen Missverständnissen führen. Gängig sind diese drei Definitionen:
Die mikrostrukturelle Definition
Bainit wird in dieser Definition als das nichtlamellare Produkt des eutektoiden Zerfalls aus Ferrit und Carbid bestehend gesehen. Dabei werden die Carbide in dem zuerst gebildeten Ferrit ausgeschieden. Ebenfalls kann die Ausscheidung an den Grenzflächen des Ferrits entstehen. Zeitlich bilden sich die beiden Produktphasen diffusionskontrolliert nacheinander.
Die kinetische Definition
Der kinetischen Definition liegt das isotherme und kinetische ZTU-Diagramm zugrunde. Es wird davon ausgegangen, dass die am Anfang und Ende der Bainitumwandlung unterschiedliche Kurven im Vergleich zu der Umwandlung von Perlit vorliegen. Somit existiert für Bainit eine eigene Bildungskinetik. Die Trennung von Perlit- und Bainitumwandlung erfolgt durch einen umwandlungsträgen Bereich, wobei die Ausdehung des Bereiches durch die Legierungselemente bestimmt wird. Bei einigen Stählen kann trotz des nicht vorhanden umwandlungsträgen Bereiches Bainit nachgewiesen werden. Aus diesem Grund stellt sich diese Definition als ungeeignet heraus.
Die Oberflächenreliefdefinition
Die Oberflächereliefdefinition ist zurzeit die geläufigste in der Literatur. Dabei wird sich die Verwandtschaft der martensitischen und der bainitischen Umwandlung zur Nutze gemacht. Diese wird durch ein Oberflächenrelief deutlich. Bainit kann somit als plattenförmige Phase angesehen werden, welche oberhalb der Martensitstrattemepratur entsteht. Dies geschieht durch eine Scherung aus dem Austenit-Gitter. Dafür verantwortlich ist ein koordinierter, jedoch nicht thermisch aktivierter Atomtransfer über die sich bewegende Phasengrenzfläche. Die vor sowie auch nach der Scherung erfolgende Diffusion von Interstitionsatomen im Austenit, bestimmt dabei die Kinetik der Umwandlung.
Unterschiede zwischen den zwei Gefügeformen
Bainit wird grundsätzlich in die Gefügeformen “Unterer Bainit” und “Oberer Bainint” unterschieden. Die Unterscheidung wird nach der Temperatur, bei dem es entsteht, getroffen. Beeinflusst davon werden die mechanischen Eigenschaften des Bainits, wobei insbesondere Zähigkeitseigenschaften betroffen sind.
Unterer Bainit
In diesem Fall liegt die Umwandlungstemperatur kurz oberhalb der Martensitbildung. Durch die Ferritbildung erfolgt eine Anreicherung von Austenit und Kohlenstoff. Findet eine weitere Abkühlung statt, wandelt sich der Austenitbereich in Ferrit, Zementit und nadeligem Bainit um. Ebenfalls kann eine Umwandlung zu Martensit erfolgen. Unterer Bainit weist in der Regel nicht nur niedrigere Hochlagenwerte, sondern auch niedrigere Übergangstemperaturen im Vergleich zum oberen Bainit auf. Dieser Umstand hilft bei der Verwendung im unteren Temperaturbereich.
Oberer Bainit
Erfolgt die Formierung bei Temperaturen unterhalb des Bereiches der Perlitbildung, spricht man von oberen Bainit. In diesem Bereich liegen günstige Diffuisionsbedingungen vor. Dadurch kann der Kohlenstoff an die Korngrenzen der Ferritnadeln eindiffundieren. Hieraus können sich dann unregelmäßige und unterbrochene Carbide bilden. Die Verteilung folgt keinem Muster, wodurch das Gefüge ein körniges Aussehen erhält. Aus diesem Grund spricht man bei oberen Bainit auch von körnigem Bainit. Im Vergleich zum unteren Bainit liegt der Bereich der Übergangstemperatur deutlich höher. Ebenfalls erreicht oberer Bainit einen höheren Schlagarbeitswert.
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