Bainit (benannt nach dem US-amerikanischen Metallurgen Edgar C. Bain) ist ein Gefüge, das bei der Wärmebehandlung von kohlenstoffhaltigem Stahl durch isotherme Umwandlung oder kontinuierliche Abkühlung entstehen kann.
Synonym zu Bainit wird im deutschen Sprachraum auch der Begriff Zwischenstufengefüge verwendet. Es bildet sich bei Temperaturen und Abkühlgeschwindigkeiten, die zwischen denen für die Perlit- bzw. Martensitbildung liegen. Anders als bei der Bildung von Martensit sind hier Umklappvorgänge im Kristallgitter und Diffusionsvorgänge gekoppelt, dadurch werden verschiedene Umwandlungsmechanismen möglich. Aufgrund der Abhängigkeit von Abkühlungsgeschwindigkeit, Kohlenstoffgehalt, Legierungselementen und der daraus resultierenden Bildungstemperatur besitzt der Bainit kein charakteristisches Gefüge. Bainit besteht, ebenso wie Perlit, aus den Phasen Ferrit und Zementit (Fe3C), unterscheidet sich aber vom Perlit in Form, Größe und Verteilung. Grundsätzlich wird in zwei Hauptgefügeformen unterschieden, dem oberen Bainit (auch körniger Bainit) und dem unteren Bainit.
Bainitisieren oder auch isothermisches Umwandeln in der Bainitstufe ist ein Austenitisieren mit anschließendem Abschrecken auf Temperaturen oberhalb der Martensitstarttemperatur Ms. Die Abkühlgeschwindigkeit muss dabei so gewählt werden, dass keine Umwandlung in der Perlitstufe stattfinden kann. Beim Halten auf der Temperatur oberhalb Ms wandelt sich der Austenit so vollständig wie möglich zu Bainit um.
Durch eine langsame Umklappung des Austenits entstehen, von den Korngrenzen oder Störstellen ausgehend, stark an Kohlenstoff übersättigte Ferrit-Kristalle mit kubisch-raumzentriertem Kristallgitter (krz-Gitter). Der Kohlenstoff scheidet sich beim unteren Bainit aufgrund der höheren Diffusionsgeschwindigkeit im krz-Gitter in Form kugeliger oder ellipsoider Zementitkristalle innerhalb des Ferritkorns aus. Beim oberen Bainit kann der Kohlenstoff in den Austenitbereich eindiffundieren und dort Carbide bilden.
Der obere Bainit entsteht im oberen Temperaturbereich der Bainitbildung, er hat ein nadelförmiges Gefüge, das sehr stark an Martensit erinnert. Durch die günstigen Bedingungen für die Diffusion diffundiert der Kohlenstoff an die Korngrenzen der Ferritnadeln. Es entstehen hier unregelmäßige und unterbrochene Zementitkristalle. Wegen der regellosen Verteilung hat das Gefüge oft ein körniges Aussehen. Bei nicht ausreichender metallografischer Analyse kann das Gefüge leicht mit Perlit oder auch dem Widmanstätten-Gefüge verwechselt werden.
Der untere Bainit entsteht bei isothermer und kontinuierlicher Abkühlung im unteren Temperaturbereich der Bainitbildung. Durch die Ferritbildung reichert sich der Austenit an Kohlenstoff an, bei weiterer Abkühlung wandeln sich die Austenitbereiche in Ferrit, Zementit, nadeligen Bainit und Martensit um. Durch das Bainitisieren werden Eigenspannungen vermindert und die Zähigkeit erhöht, so dass sich dieses Verfahren für rissempfindliche Stähle und kompliziert geformte Bauteile anbietet. miniatur|hochkant=2.05|Die schematische Darstellung der temperatur- und zeitabhängigen Umwandlungsbereiche (hier für die Herstellung von Bainitischem Gusseisen mit Kugelgraphit) zeigt auch den Bereich der Bainitbildung:(1) Abschrecken auf Martensit(2) Zwischenstufenvergüten (Bainitisieren)(3) Abkühlen auf Bainit(4) Perlitbereich(5) Bainitbereich
Bainitmorphologien miniatur|Bild 1: BainitmorphologienBainit ist ein Gefüge, das aus Austenit bei Temperaturen unterhalb der Perlitbildung bis hin zur Martensitbildung sowohl isotherm als auch bei kontinuierlicher Abkühlung entsteht. Man unterscheidet oberen und unteren Bainit.R.F. Mehl: The Physics of Hardenability – the Mechanism and the Rate of the Decomposition of Austenite. Hardenability of Alloy Steels Symposium 20. Annual Convention of the American Society for Metals, Detroit 1938. Oberer Bainit besteht aus nadelförmigem Ferrit, der in Paketen angeordnet ist. Zwischen den einzelnen Ferritnadeln liegen mehr oder weniger kontinuierliche Filme aus Carbiden parallel zur Nadelachse vor.J.M. Oblak, R.F. Hehemann: Structure and Growth of Widmannstaetten – Ferrite and Bainite. In: Transformation and Hardenability in Steels. Climax Molybdenum Symposium, 1967.F.B. Pickering: Structure and Properties of Bainite in Steels. In: Transformation and Hardenability in Steels. Climax Molybdenum Co, Michigan 1967, S. 109–132. Unterer Bainit besteht dagegen aus Ferritplatten, innerhalb derer sich die Carbide unter einem Winkel von 60° zur Nadelachse bilden. Unter bestimmten Umwandlungsbedingungen können auch andere Bainitmorphologien wie inverser, granularer oder langnadeliger Bainit entstehen,L.J. Habraken, M. Econopoulos: Bainitic Microstructures in Low Carbon Alloy Steels and Their Mechanical Properties. In: Transformation and Hardenability in Steel. Climax Molybdenum Co, Michigan 1967, S. 69–108. wie es Bild 1 (Bainitmorphologien) verdeutlicht.G. Spanos, H.S. Fang, D.S. Sarma, H.I. Aaronson: Influence of Carbon Concentration and Reaction Temperature upon Bainite Morphology in Fe-C-2 Pct Mn Alloys. Metallurgical Transactions A Vol 21A, 1990, S. 1391–1411.
Definitionen des Bainit Zurzeit finden sich in der Literatur drei verschiedene Definitionen für Bainit, die zu erheblichen Missverständnissen führen. Man unterscheidet
die mikrostrukturelle Definition, die kinetische Definition und die Oberflächenreliefdefinition,
die an spezielle Phänomene der Phasenumwandlung anknüpfen, so dass über ihre generelle Gültigkeit oder Nichtgültigkeit nicht ohne weiteres entschieden werden kann.
Die mikrostrukturelle Definition Danach wird bei Eisenbasiswerkstoffen Bainit als nichtlamellares Produkt des eutektoiden Zerfalls aus Ferrit und Carbid bestehend angesehen.H.I. Aaronson, H.J. Lee: Another Visit to the Three Definitions of Bainite. Scripta Metallurgica, 1987, S. 1011–1016. Die beiden Produktphasen bilden sich diffusionskontrolliert zeitlich nacheinander,H.I. Aaronson, W.T. Reynolds jr, G.J. Shiflet, G. Spanos: Bainite Viewed Three Different Ways. Metallurgical Transactions A vol 21A, 1990, S. 1343–1380. wobei die Carbide sich entweder im zuerst gebildeten Ferrit oder an dessen Grenzfläche ausscheiden.H.I. Aaronson: Bainite Reaction. Encyclopedia of Materials Science and Engineering Vol 1, 1986, S. 263–266. Fehlt die Ausscheidung der zweiten Phase aus thermodynamischen oder kinetischen Gründen, wie es bei der Umwandlung siliziumhaltiger Stähle möglich ist, so dürfte man nach dieser Definition eigentlich nicht mehr von Bainit sprechen. Die getroffenen Festlegungen erlauben dagegen, auch bei Nichteisenmetallen von bainitischen Umwandlungen zu sprechen.
Die kinetische Definition Diese Definition geht davon aus, dass im isothermen und im kontinuierlichen ZTU-Diagramm für Beginn und Ende der Bainitumwandlung von denen der Perlitumwandlung unterscheidbare Kurven auftreten und somit eine eigene Bildungskinetik des Bainits existiert. Die Bainitumwandlung soll durch einen umwandlungsträgen Bereich, dessen Ausdehnung stark von Legierungselementen beeinflusst wird, von der Perlitumwandlung getrennt sein. Da bei einigen Stählen sich trotz des Fehlens des umwandlungsträgen Bereiches Bainit nachweisen lässt,S.K. Liu, W.T. Reynolds, H. Hu, G.J. Shiflet, H.I. Aaronson: Discussion of “The Bainite Transformation in a Silicon Steel”. Metallurgical Transactions A vol 16A, 1985, S. 457–467. erweist sich diese Definition als ungeeignet.
Die Oberflächenreliefdefinition Die Verwandtschaft der bainitischen Umwandlung mit der martensitischen zeigt sich im Auftreten eines Oberflächenreliefs.S.J. Matas, R.F. Hehemann: The Structure of Bainite in Hypoeutectoid Steels. Transactions of the Metallurgical Society of AIME Vol 221, 1961, S. 179–185. Das ist damit verträglich, Bainit als plattenförmige Phase anzusehen, die oberhalb der Martensitstarttemperatur Ms durch Scherung aus dem Austenitgitter entsteht. Die Umwandlung geschieht durch einen koordinierten, nicht thermisch aktivierten Atomtransfer über die sich bewegende Phasengrenzfläche.G.R. Srinivasan, C.M. Wayman: The Crystallography of the Bainite Transformation. Acta Metallurgica 16, 1968, S. 621–636. Die Kinetik der Umwandlung wird durch die Diffusion von Interstitionsatomen im Austenit bestimmt, die sowohl vor als auch nach der Scherung erfolgen kann. Diese Oberflächenreliefdefinition ist die zurzeit gebräuchlichste Bainitfestlegung.
Keimbildung miniatur|Bild 2: Unterteilung einer Bainitnadel in Untereinheiten Bainitnadeln (Sheaves) sind langgestreckte Platten, deren dickere Enden an Korngrenzen beginnen. Sie umfassen ferritische Untereinheiten (Subunits), die mehr oder weniger komplett, wie in Bild 2 angedeutet, durch Carbide oder Restaustenit voneinander getrennt sind. Die aneinanderstoßenden Untereinheiten sind durch Kleinwinkelkorngrenzen voneinander getrennt und zeigen ihrerseits eine längliche Latten- oder Plattenform,H.K.D.H. Bhadeshia, J.W. Christian: Bainite in Steels. Metallurgical Transactions A Vol 21A, 1990, S. 767–797. wie sie nach Nabarro für in einem Spannungsfeld gebildete Phasen am günstigsten ist (siehe auch die elektronenmikroskopische Darstellung in Bild 3).F.R.N. Nabarro: The Influence of Elastic Strain on the Shape of Particles Segregating in an Alloy. Proceedings of the Physical Society 52, 1940, S. 91–104. Man ist sich zurzeit darüber einig, dass in unlegierten untereutektoiden und siliziumhaltigen übereutektoiden Stählen die Bildung des unteren und des oberen Bainits mit einem kohlenstoffübersättigten Ferritkeim beginnt (siehe dazu auch Keimbildung). Lediglich in siliziumfreien unlegierten übereutektoiden Stählen kann bei höheren Umwandlungstemperaturen auch Zementit die zuerst gebildete Phase sein. Man spricht dann von inversem Bainit.
Die Ferritkeimbildung des Bainits erfolgt meist an den Austenitkorngrenzen aufgrund thermischer Gitterschwingungen durch eine kooperative Gitterscherung und seltener an anderen Gitterstörungen. Nach Überschreiten eines kritischen Radius wird der Keim wachstumsfähig und bildet eine Untereinheit (Subunit). An den Grenzflächen des ersten Bainitkeims bilden sich neue Keimstellen (sympathetische Keimbildung). Eine Keimbildung im Austenit ist trotz des dort erhöhten Kohlenstoffgehaltes möglich, da eine hochenergetische α-γ-Grenzfläche durch eine niederenergetische α-α-Grenzfläche ersetzt wird,H.I. Aaronson, C. Wells: Sympathetic Nucleation of Ferrite. Transactions of the Metallurgical Society of AIME, 1957, S. 1216–1223. so dass damit die notwendige Energie zur Keimbildung zur Verfügung steht. Die Keimbildungsgeschwindigkeit wächst mit steigender Unterkühlung unter die Gleichgewichtstemperatur. Dafür werden die Untereinheiten kleiner und zahlreicher, weil das Wachstum der Untereinheiten stoppt, sobald neue an ihren Phasengrenzen keimen. Die Größe der Untereinheiten ist unabhängig von der Austenitkorngröße und der Bainitnadelgröße. Letztere wird von den Austenitkorngrenzen und schon vorhandenen Nadeln begrenzt. Dem gegenüber gehen Olson, Bhadeshia und Cohen in einer neueren Arbeit davon aus, dass die Keimbildung des Bainits wie die des Martensits auf dem Vorhandensein von präformierten Keimen beruht.G.B. Olson, H.K.D.H. Bhadeshia, M. Cohen: Coupled Diffusional / Displacive. Transformations Acta Metallurgica Vol 37 No 2, 1989, S. 381–389. Es werden wachstumsfähige Embryonen kritischer Größe angenommen, so dass das Problem der Keimbildung auf den Beginn des Keimwachstums reduziert wird. Die sympathetische Keimbildung wird damit erklärt, dass es durch die wachsenden Bainitnadeln zu Anpassungsverformungen im Austenit mit Versetzungsanordnungen in der Nähe der wachsenden Nadel kommt, die präformierten Keimen entsprechen.
Keimwachstum