Analiza atomowa przy pomocy mikroskopu polowo-jonowego w przemianie bainitycznej w 2,25 Cr - 1 Mo w metalu spoiny.

A. Josefson H.O. Andren

Wprowadzenie.

Rozpad austenitu w stali 2,25 Cr - 1 Mo - 0,1 C (%wt) jest bardzo interesujący. Przyczyna jest taka, że mikrostruktura bainitu obserwowana zawiera tylko dwie fazy : ferryt bainityczny i austenit szary [1]. Bainit wolny od węglików czasami nazywany „bainit ziarnisty” dostarcza możliwości badania przemiany bainitycznej bez zakłóceń od innych przemian (tj. powstawanie cementytu).

Kilka modeli wzrostu bainitu zostało zaproponowane do wyjaśnienia różnych zjawisk podczas przemiany bainitycznej. Jeden model proponuje że przemiana bainityczna jest dyfuzyjna (rekonstruktywna) i pociąga za sobą przeskoki atomów rozpuszczonych. W tym modelu opisanym przez Reynoldsa i wsp. [3] ferryt bainityczny rośnie dyfuzyjnie za pomocą stopni występujących na granicach międzyfazowych ferryt/austenit. Gdy stopień rozpoczyna przemieszczenie, które jest jak się przypuszcza wynikiem przesuwania się nieuporządkowanych wąskich powierzchni czołowych stopu (riser- stopień), pewne atomy segregujące do granicy będą wlec się z tyłu za pewnym obszarem. Ich powinowactwo do granicy zmusza atomy aby postępowały za przesuwającą się granicą. Ilość przeskakujących atomów do przesuwającej się granicy jest mniejszy niż przeskoki rozpuszczonych w zwykłej przemianie. Dlatego ten mechanizm nazywano „efekt podobny do przeskoków atomów rozpuszczonych (SDLE)”. Jednakże atomy rozpuszczone są tylko skoncentrowane na przesuwających się granicach. Szerokie powierzchnie czołowe stopni są nieruchome i w wyniku tego nie zawierają segregujących atomów rozpuszczonych.

Inny model opisuje przemianę bainityczną zachodzącą w wyniku procesów ścinania [4]. Wzrost płytek bainitu jest podobny do wzrostu listew martenzytu, z pełnym przesyceniem w węgiel [5]. Jednakże, ponieważ temperatura jest wyższa dla przemiany bainitycznej niż w przypadku przemiany martenzytycznej, istnieje sposobność (możliwość) aby bainit odrzucał nadmiar węgla w kierunku pozostającego austenitu. Ten bezdyfuzyjny model nie przewiduje, w przeciwieństwie do SDLE, segregacji substytucyjnych atomów do granicy międzyfazowej austenit/ferryt.

Wyniki

Skład ferrytu bainitycznego i austenitu szczątkowego był mierzony przy użyciu sondy atomowej. Wyniki podano w tabeli 1, razem z analizą uzyskaną przy zastosowaniu spektrometru optycznego emisyjnego. Analiza atomowa była przeprowadzona poza granicami międzyfazowymi z przestrzenną rozdzielczością ok. 3 nm (skuteczny otwór sondy o takiej średnicy). W granicach statystycznej niepewności analizy, faza rodzima austenit i ferryt bainitu mają tę samą zawartość atomów substytucyjnych.

Niską zawartość węgla znaleziono w ferrycie bainitycznym (0,005 ± 0,003%) lecz czasami wyższe zawartości węgla również były obserwowane. Te wysokie wartości, tak wysokie jak 0,075 ± 0,035% zostały poprzednio wyjaśnione atmosferami Cottrella, obszary wzbogacone w atomy węgla utworzyły się wokół dyslokacji [1,5]. Austenit szcząstkowy był wzbogacony w węgiel, i zawartości węgla w trzech wyspach tego austenitu były 1,45 ± 0,1 ; 1,16 ± 0,15 i 1,06 ± 0,30% C. Węgiel był obserwowany przy pomocy sondy atomowej widm masowych w stosunku - masa / ładunek dla 6( C²⁺), 12( C⁺), 18( C₃²⁺), 24( C₂⁺), 36( C₃).

Trzy analizy atomowe przy pomocy sondy granic międzyfazowych austenit/ferryt były przeprowadzone poprzez granice międzyfazowe ferryt/austenit. Wzdłuż

osi zakończenia płytek (tip), i z efektywną średnicą około 4 nm. Wyniki tej analizy pokazano na rys.1. We wszystkich trzech analizach, zawartość węgla skokowo spada, w obszarze mniejszym niż 0,3 nm na granicy międzyfazowej pomiędzy austenitem i ferrytem bainitu, podczas gdy substytucyjne pierwiastki pozostawały stałe w poprzek granicy. Analizy obszarów międzyfazowych podano w tabeli 2. Oczywiście nie było możliwe znalezienie dowodów segregacji chromu na granicy międzyfazowej. Statystyki dla manganu i molibdenu ( 6 jonów każdy) są prawdopodobnie zbyt ubogie aby otrzymać z tego jakiś wniosek.

Rys. 2 pokazuje dwa obrazy FIM, jeden przed a drugi po badaniach sondą atomową. Fakt że nie ma dodatkowego jasnego kontrastu na granicy międzyfazowej również sugeruje, że nie zawiera ona znaczących segregacji molibdenu, ponieważ atomy molibdenu jak wiadomo dają jasny kontrast plamek w obrazie FIM [10].

DYSKUSJA

W pracy tej nie znaleziono żadnych dowodów segregacji atomów substytucyjnych w trzech analizowanych granicach międzyfazowych austenit/ferryt. Z tych obserwacji można wyciągnąć wnioski przeciwstawne. Teoria SDLE przewiduje segregację tylko do stopni ruchomej granicy. Jeśli trzy badane granice międzyfazowe były typu szeroko czołowych to wyniki nie powinny być w sprzeczności z teorią SDLE. Jednakże, jeśli przynajmniej jedna z tych granic stanowi granicę ruchomą ze stopniami, która może być całkiem prawdopodobna, to teoria SDLE nie może być poprawna.

Inny interesujący wynik został uzyskany z badań zawartości węgla w różnych obszarach austenitu szczątkowego. Krzywe T₀ T₀' i A_e3' zostały obliczone dla obecnej stali przy użyciu metody opisanej przez Bhadeshię i współpracowników [11,12] i wyniki te pokazano na rys.3. ( krzywa A_e3'' nie została na tym rysunku zaznaczona, lecz jest ona umiejscowiona nieznacznie poniżej A_e3' temperatur). Pełne kółka z zakresami błędów oznaczają zawartość węgla w obszarach austenitu zmierzone przy użyciu sondy atomowej. Z pomiarów dylatometrycznych wiadomo że przemiana bainityczna zatrzymuje się w tym materiale w temp. 420°C [6]. Dlatego, zmierzona zawartość węgla w austenitycie powinna być porównana z wartością A_e3' w temperaturze 420°C. Z rys. 3 można zauważyć, że oczekiwana równowagowa koncentracja węgla w austenitycie w 420°C, linia A_e3', wynosi około 12 at% (2,6%wag). W konsekwencji, mierzona średnia koncentracja węgla w austenicie , wynosi ok. 1,2% wag i jest zbliżona do T₀', lecz jest znaczna różnica z wartością A_e3'. To zjawisko, zostało zaobserwowane uprzednio i jest znane jako zjawisko zastoju przemiany (opisane przez wielu autorów, np. Ref. [4 i 13]). Obserwacje zawartości węgla w austenicie zbliżone do To' potwierdzają bezdyfuzyjną (przemieszczeniową - displaciwe) teorią przemiany bainitycznej i oznaczają że wzrost bainitu zachodzi z pełnym przesyceniem w węgiel (zob. Bhodeshie i Waugh [5]).

WNIOSKI

Badania na stali 2,25 Cr - 1Mo - 0,1C w spoinie o strukturze bainitycznej, zostały przeprowadzone przy zastosowaniu APFIM.

Analizowano trzy granice austenit/ferryt. Nie znaleziono żadnej segregacji atomów substytucyjnych do tych granic, co oznacza że nie uzyskano żadnego potwierdzenia teorii SDLE tworzenia się ferrytu bainitycznego.

Skład austenitu szczątkowego był mierzony w trzech różnych obszarach austenitu. Znaleziono że wszystkie miały zawartość węgla nieznacznie powyżej T₀' krzywej, lecz daleko od krzywej A_­e3'. Ten wynik stanowi poparcie teorii bezdyfuzyjnej przemiany bainitycznej.

---