Bainite là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Bainite là cấu trúc vi tinh thể hình thành trong thép khi làm nguội từ pha austenit (γ) ở tốc độ vừa phải, trong khoảng nhiệt độ khoảng 250–550 °C. Khác với pearlite và martensite, bainite kết hợp đặc tính dẻo dai và độ cứng cao nhờ kích thước hạt mịn và pha carbide phân tán đồng nhất.

Về mặt pha, bainite bao gồm tấm sắt α (ferrite) mảnh xen kẽ với pha carbide mịn (cementite) hoặc cacbon hòa tan. Cấu trúc này xuất hiện khi môi trường làm nguội đủ chậm để cho phép một phần carbon khuếch tán, nhưng vẫn đủ nhanh để ngăn ngừa sự hình thành pearlite dạng xen kẽ lớn.

Phân biệt giữa bainite và các cấu trúc khác dựa vào hình thái vi cấu trúc dưới kính hiển vi quang học và điện tử, cũng như qua các phép thử cơ tính. Bainite thường cho độ bền kéo 800–1200 MPa và độ giãn dài trên 10 %, phù hợp cho chi tiết chịu tải cao (Elsevier).

Cơ chế biến thái

Cơ chế biến thái từ austenit sang bainite là sự pha trộn giữa quá trình không khuếch tán của sắt α và sự bán khuếch tán của cacbon. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới nhiệt độ chuyển pha, các vị trí cacbon dư được đẩy khỏi lưới α và hình thành pha carbide mịn giữa các lá ferrite.

Động lực học biến thái được mô tả bởi phương trình Avrami:$f(t)=1-\exp(-k\,t^n)$trong đó f(t) là tỷ lệ thể tích biến đổi tới thời điểm t, k và n là hằng số phụ thuộc nhiệt độ và thành phần hợp kim. Giá trị n thường nằm trong khoảng 1–3 cho biến thái bainite.

• Cơ chế không khuếch tán: hình thành tấm ferrite theo lưới cứng.
• Cơ chế bán khuếch tán: carbon khuếch tán ra biên pha, tạo carbide mịn.
• Kết quả là cấu trúc lưỡng thể với tấm α xen kẽ carbide hoặc cacbon hòa tan.

Điều kiện hình thành và biểu đồ TTT/CTT

Bainite hình thành khi thép được làm nguội từ nhiệt độ austenit hóa (800–950 °C) xuống vùng biến thái bainite, thường khoảng 250–550 °C. Trong khoảng này, tốc độ khuếch tán carbon vừa phải, cho phép hình thành pha carbide mịn mà không tạo thành pearlite thô.

Biểu đồ TTT (Time–Temperature–Transformation) cho thấy thời gian cần thiết để khởi đầu và kết thúc biến thái pearlite, bainite, martensite tại các nhiệt độ cố định. Vùng bainite nằm giữa đường khởi đầu pearlite và đường khởi đầu martensite, tạo ra “vùng lồi” đặc trưng trên đồ thị.

Biểu đồ CCT (Continuous Cooling Transformation) mô tả biến thái dưới quá trình làm nguội liên tục. Đường làm nguội chậm hơn sẽ đi qua vùng pearlite, trung bình tạo ra bainite, trong khi làm nguội rất nhanh sẽ đi qua thẳng vùng martensite.

Biến thái	Nhiệt độ (°C)	Đặc điểm
Pearlite	>550	Hạt lớn, xen kẽ α và Fe₃C thô
Upper bainite	350–550	Tấm α xen kẽ carbide hạt lớn
Lower bainite	250–350	Tấm α xen kẽ carbide mịn
Martensite	<250	Biến dạng không khuếch tán, pha carbon bão hòa

Phân loại upper và lower bainite

Upper bainite hình thành ở nhiệt độ cao hơn (350–550 °C). Trong cấu trúc này, tấm α cứng xen kẽ với hạt carbide lớn tập trung ở ranh giới tinh thể, tạo ra độ dẻo cao nhưng độ cứng thấp hơn lower bainite.

Lower bainite xuất hiện ở nhiệt độ thấp hơn (250–350 °C). Carbon khuếch tán ít hơn, dẫn đến hình thành carbide mịn ngay trong khối thể tấm α. Cấu trúc này cho độ cứng và độ bền mỏi cao hơn, song tính dẻo giảm đôi chút.

Loại	Nhiệt độ (°C)	Vi cấu trúc	Tính chất cơ lý
Upper bainite	350–550	Carbide ở ranh giới hạt	Dẻo cao, cứng ~400 HV
Lower bainite	250–350	Carbide mịn phân tán trong tấm α	Cứng cao ~550 HV, bền mỏi tốt

Ảnh hưởng của thành phần hợp kim

Nguyên tố Cr (chromium) làm tăng tính cứng và khả năng chống ăn mòn của bainite bằng cách kéo dài thời gian hình thành và làm mịn kích thước carbide. Hàm lượng Cr từ 0,5–1,5 % thường được sử dụng trong thép hợp kim để tối ưu vùng biến thái bainite và cải thiện độ bền mỏi.

Si (silicon) ức chế sự hình thành cementite lớn, thúc đẩy carbon hòa tan trong ferrite và tạo ra carbide mịn. Thép chứa 1–2 % Si thường có lower bainite phân tán đều, cho độ bền kéo 1000–1200 MPa và độ giãn dài 8–12 % (ScienceDirect).

Nguyên tố Mo (molybdenum) và Mn (manganese) giữ vai trò ổn định austenit, mở rộng phạm vi nhiệt độ bainite và làm chậm quá trình pearlite. Thép hợp kim có 0,2–0,5 % Mo cho lower bainite có độ dẻo dai cao, duy trì độ cứng trên 500 HV sau xử lý nhiệt ở 300 °C.

Tính chất cơ lý

Bainite kết hợp độ cứng cao (400–600 HV) và tính dẻo tốt nhờ vi cấu trúc mịn. Upper bainite thường đạt độ giãn dài 12–15 % và độ cứng 350–450 HV, trong khi lower bainite có độ giãn dài 8–10 % và độ cứng 500–600 HV.

Độ bền kéo của lower bainite có thể lên tới 1200 MPa với độ bền mỏi cao nhờ carbide mịn phân tán. Bảng dưới đây tóm tắt một số thông số cơ lý điển hình:

Loại bainite	Độ cứng (HV)	Độ bền kéo (MPa)	Độ giãn dài (%)
Upper bainite	350–450	800–1000	12–15
Lower bainite	500–600	1000–1200	8–10

Khả năng chống mỏi của bainite phụ thuộc vào kích thước và độ phân tán carbide. Lower bainite với carbide <100 nm đạt chu kỳ mỏi tới 10⁶–10⁷ vòng dưới ứng suất biên thấp (Taylor & Francis Online).

Quy trình nhiệt luyện tạo bainite

Bước khởi đầu là austenit hóa: gia nhiệt thép lên 800–950 °C, giữ 15–30 phút để đồng nhất hóa thành phần và giải phóng cacbon. Tiếp theo là làm nguội nhanh xuống 250–550 °C bằng phương pháp ngâm dầu, khí trơ hoặc buồng nhiệt có kiểm soát.

Giữ thép trong vùng biến thái bainite từ 30 phút đến vài giờ, tùy thành phần hợp kim và kích thước chi tiết. Sau khi hoàn thành biến thái, thép được làm mát chậm về nhiệt độ phòng để ổn định cấu trúc và giảm ứng suất dư.

• Kiểm soát tốc độ làm nguội: 1–10 °C/s để phân bố carbide đều.
• Giữ nhiệt đúng mức: tăng thời gian biến thái cho lower bainite, giảm thời gian cho upper bainite.
• Hậu xử lý: ủ nhẹ 150–250 °C để loại ứng suất, cải thiện tính dẻo.

Kỹ thuật quan sát và phân tích

Kính hiển vi quang học (OM) dùng để quan sát tổng quát vi cấu trúc: tấm ferrite và lớp carbide rõ ràng ở độ phóng đại 500–1000×. Ép mẫu lên kính mài và ăn mòn bằng Nital 2 % cho tương phản tốt.

SEM (Scanning Electron Microscopy) và EBSD (Electron Backscatter Diffraction) cung cấp bản đồ pha và hướng tinh thể của từng tấm α. EBSD giúp phân tích kích thước hạt, góc biên giới và mức độ biến dạng khu vực giao pha (JEOL SEM & EBSD).

XRD (X-ray Diffraction) xác định tỷ lệ ferrite và carbide, đồng thời đo kích thước hạt qua độ rộng bán cực đại của đỉnh 2θ. DSC (Differential Scanning Calorimetry) khảo sát nhiệt động học biến thái, xác định nhiệt độ bắt đầu và kết thúc biến đổi.

Ứng dụng công nghiệp

Chi tiết chịu tải cao trong ngành ô tô như bánh răng, trục khuỷu, trục cam thường sử dụng lower bainite để kết hợp độ cứng mài mòn và dẻo dai. Nhờ cấu trúc mịn, bánh răng lower bainite chịu được ứng suất lặp cao, giảm nguy cơ nứt mỏi.

Trong xây dựng và cầu đường, thanh cường độ cao được làm từ upper bainite có độ dẻo và độ bền kéo trung bình, phù hợp cho cáp căng và bu lông chịu kéo. Độ giãn dài cao giúp hấp thu năng lượng va đập và giảm nguy cơ gãy đột ngột.

Ngành khai khoáng sử dụng thép bainite cho lưỡi cắt và lót vuông, tận dụng khả năng chống mài mòn. Lower bainite với carbide mịn giữ cạnh cắt sắc và bền lâu trong môi trường nghiền đá (ScienceDirect).

Tài liệu tham khảo

1. Bhadeshia, H.K.D.H. (2001). Steels for Bearings. Butterworth-Heinemann. Truy cập tại Elsevier.
2. Gladman, T. (1994). Microstructure and Properties of Bainite. Institute of Materials. Truy cập tại IMA.
3. Bhadeshia, H.K.D.H. (2002). Bainite in Steels. Metallurgical and Materials Transactions A, 33(2), 59–78. Truy cập tại Springer.
4. Christian, J.W., Mahajan, S. (1995). Deformation Twinning. Progress in Materials Science, 39(1–2), 1–157. Truy cập tại ScienceDirect.
5. Askeland, D.R., Wright, W.J. (2015). The Science and Engineering of Materials. Cengage Learning. Truy cập tại Cengage.