ベイナイト（英: bainite、米国の冶金学者エドガー・ベインに由来する）は炭素鋼や低合金鋼の等温保持或いは連続冷却の熱処理により生じる金属組織（相ではない）の一つである。
中間組織（独: Zwischenstufengefüge、英: intermediate structure）または中間段階変態生成物（組織）（独: Zwischenstufen Umwandlungsprodukt、英: intermediate stage transformation products）、或いはその頭文字Zwの語は特にドイツ語圏において「広義の」ベイナイトとほぼ同じ意味で用いられる。これはミクロ組織の生成する温度及び冷却速度がパーライト変態とマルテンサイト変態の間にあることによる。つまりZwは「狭義の」ベイナイトを含む変態組織の総称であるから、Zwの意味でベイナイトを用いるのは適切でない。ドイツ語圏では用語の問題を避けるために、以前からZwと呼ばれてきたのである。
この温度域においては、マルテンサイト変態の急激な結晶構造の変化（無拡散変態）と拡散変態が結びついて、異なる変態機構が起こりうる。冷却速度及び炭素量、合金元素とその結果としての変態温度への依存性から、「広義の」ベイナイトは固有の形態を持たない。ベイナイトには、パーライトと同様にフェライト相（α）とセメンタイト相（Fe3C）が含まれているものの、その形や大きさ、分散状況が大きく異なる。ベイナイト組織の形態として、上部ベイナイト（或いはグラニュラーベイナイト）及び下部ベイナイトの区別が知られている。
オーステンパー或いは等温変態におけるベイナイト変態は、オーステナイト（γ）化に続く焼入れ中のMs点（マルテンサイト変態開始温度）以上の温度（約250-550℃、合金元素にあまり依存しない）で起こる。この時パーライト変態が起きないレベルの冷却速度を選ばなければならない。Ms点以上の温度に保持することで、オーステナイトはほぼ全てベイナイトに変態する。
オーステナイト結晶粒界又は不完全性によるウムクラップ過程（熱ゆらぎ）から、炭素が過飽和した体心立方格子（Bcc格子）を持つフェライト粒が生成する。フェライト粒内の球状或いは楕円状セメンタイトが生成する際のBcc格子の速い拡散のために、下部ベイナイトでは速い速度で炭素が吐き出される。一方、上部ベイナイトにおいてはオーステナイトと同程度の速度で炭素の拡散と炭化物の生成が進む。
上部ベイナイトはベイナイト変態温度域の高い側で生成し、マルテンサイト組織を思わせるよく類似した針状組織を持つ。結晶粒界における炭素の拡散が有利であるために、針状のフェライトが拡散変態して生成される。このとき不規則かつ不連続なセメンタイトが生成される。この不規則な分布のために、このミクロ組織はたいてい粒状組織として観察される。このミクロ組織はしばしばパーライト組織或いはウイドマンステッテン組織と混同されることがあるが、不適切である。
下部ベイナイトは等温保持或いは連続冷却でベイナイト変態温度域の低い温度側で生成する。このミクロ組織においては、下部ベイナイトのフェライトとセメンタイトの生成が進んでいくとともに、残ったオーステナイトに炭素が濃縮され（てMs点が上昇し、オーステナイトがマルテンサイト変態す）るために、針状のベイナイト‐マルテンサイト混合組織となる。オーステンパーを用いた場合、残留応力が減少するとともに靱性が改善され、亀裂感受性が改善されるともに、複雑な形状のミクロ組織が得られる。 thumb|200px|ベイナイト変態が起きる範囲の温度と時間の模式図（ここでは一例として球状黒鉛鋳鉄を示す）(1) 焼入れマルテンサイト(2) 等温保持によるベイナイト(3) 連続冷却によるベイナイト(4) パーライト変態範囲(5) ベイナイト変態域
ベイナイトのミクロ組織形態 thumb|図1: ベイナイトのミクロ組織形態 ベイナイトは等温保持及び連続冷却において、パーライト変態温度以下からマルテンサイト変態温度までの温度で変態して生成するミクロ組織である。ベイナイトは大きく上部ベイナイト及び下部ベイナイトが知られるMehl, R. F.: 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)。上部ベイナイトはパケット内で揃った針状のフェライトからなり、ラス間にフィルム状に連続的に並んだ炭化物は個々の針状フェライト（ベイニティックフェライトプレート）の方向と平行に並んで観察されるOblak, J. M., Hehemann, R. F.: Structure and Growth of Widmannstaetten – Ferrite and Bainite In "Transformation and Hardenability in Steels", Climax Molybdenum Symposium (1967)Pickering, F.B.: Structure and Properties of Bainite in Steels Transformation and Hardenability of Steels, Climax Molybdenum Co., Michigan (1967) 109–132。下部ベイナイトは板状のフェライトからなるが、その炭化物はフェライトと60°の角度で並んでいる。その他のベイナイト形態、例えば逆ベイナイトやグラニュラー（粒状）ベイナイト、針状ベイナイトといった変態は、特定の条件で発生する（図1に強調して示す）Habraken L.J., Econopoulos, M.: Bainitic Microstructures in Low Carbon Alloy Steels and Their Mechanical Properties In "Transformation and Hardenability of Steels", Climax Molybdenum Co., Michigan (1967) 69–108Spanos, G., Fang, H.S., Sarma, D.S., Aaronson, H.I.: Influence of Carbon Concentration and Reaction Temperature upon Bainite Morphology in Fe-C-2 Pct Mn Alloys, Metallurgical Transactions A, Vol 21A (1990) 1391–1411。
ベイナイトの変態機構の説明 現在のベイナイトの変態機構の説明は文献により大きく三種類に分かれており、混乱を生む原因となっている。分類は
ミクロ組織による説明 動力学的な説明（過去） 表面起伏による説明
と分けることができる。前者は拡散説（diffusionからD説とも）、後二説は剪断説（shearからS説、若しくはマルテンサイト説やdisplace説、無拡散説、diffusionless説）と呼ばれる。このような説明が並立することから、特定の相変態現象としてのベイナイト変態に、一般的な合意がないことが容易に理解されよう。
ミクロ組織による説明 この説明では鉄基材料のベイナイトのフェライト及び炭化物をラメラーでない共析生成物とするAaronson, H.I., Lee, H. J.: Another Visit to the Three Definitions of Bainite, Scripta Metallurgica, (1987) 1011–1016。ここでベイナイト中の二つの相はAaronson, H.I., Reynolds, jr W. T., Shiflet, G.J., Spanos, G.: Bainite Viewed Three Different Ways, Metallurgical Transactions A, vol 21A (1990) 1343–1380、初析フェライトと、フェライトから吐き出された炭素が変態の界面で炭化物になったものとみなされるAaronson, H.I.: Bainite Reaction Encyclopedia of Materials, Science and Engineering, Vol 1 (1986) 263–266。この説では第二相の分散状況について熱力学的或いは動力学的な説明をやや欠いており、例えば珪素鋼での変態停留をうまく説明できない。こういった但し書きはつくものの、この説明は低炭素鋼や非鉄金属におけるベイナイト変態をよく説明できる。
動力学的な説明 この説明はTTT図（等温変態曲線、英: time temperature transformation diagram）及びCCT図（連続冷却変態曲線、英: continuous cooling transformation diagram）上に、パーライト変態のC曲線とは別の、ベイナイト変態の開始点と終了点のC曲線があるとする。以前の剪断説の主流であった。この考えはベイナイト変態は合金元素の影響による変態停留域の存在により、パーライト変態と分けられるべきとする。しかし動力学的な説明は、いくつかの鋼において変態停留が起きないことを説明できないLiu, S.K., Reynolds, W.T., Hu, H., Shiflet, G.J., Aaronson, H.I.: Discussion of "The Bainite Transformation in a Silicon Steel", Metallurgical Transactions A, vol 16A (1985) 457–467。遅くとも1990年代には廃れた説である。
表面起伏による説明 この説明はベイナイト変態とマルテンサイト変態の関連性が表面起伏に反映されていると見るMatas, S.J., Hehemann, R.F.: The Strukture of Bainite in Hypoeutectoid Steels, Transactions of the Metallurgical Society of AIME, Vol 221 (1961) 179–185。この考えでは板状のベイナイトとして観察される相（ベイニティックフェライトプレート）が、オーステナイトの剪断によりできたもの、つまりMs点以上でできたマルテンサイトと同様であるとし、ベイナイト変態は相界面の移動を通じた非熱的な原子の移動であるとするSrinivasan, G.R., Wayman, C.M.: The Crystallography of the Bainite, Transformation Acta Metallurgica, 16 (1968) 621–636。ここで変態率は剪断の前後のオーステナイト中の侵入型原子の拡散によって決まる。この説明は中高炭素鋼の変態をよく説明でき、ベイナイト変態の比較多数説であるものの、低炭素鋼や非鉄金属の変態をうまく説明できない。また、ウイドマンステッテン組織のように、拡散変態でも表面起伏が起こることは留意する必要がある。
核生成 thumb|図2: ベイニティックフェライトのサブユニット ベイニティックフェライトラス（の束・シーフ）は厚い側の端となっているオーステナイト粒界を起点として長く伸びた板状をしている。その内部は図2に示すように、炭化物や残留オーステナイトで区切られたフェライトのサブユニットを含んでいる。互いのサブユニットがぶつかった場所は小傾角境界と、細い板或いは板状の形で観察されBhadeshia, H.K.D.H., Christian, J.W.: Bainite in Steels, Metallurgical Transactions A, Vol 21A (1990) 767–797、ナバロ（Nabarro）の観察結果によるとこれらの領域では引張応力が働いている（図3に電子顕微鏡像を示す）Nabarro, F.R.N.: The Influence of Elastic Strain on the Shape of Particles Segregating in an Alloy, Proceedings of the Physical Society, 52 (1940) 91–104。プレーンな亜共析鋼及び含珪素過共析鋼の下部及び上部ベイナイトの生成が、炭素が過飽和したフェライトから起きることが認められている。珪素を含まないプレーンな過共析鋼のみは、高い変態温度においてセメンタイトも変態の起点となる。その一つが逆ベイナイトである。
ベイニティックフェライトの核生成は熱格子振動と格子欠陥のために大抵オーステナイト粒界にて起きる。核が臨界半径以上に成長すると、核はサブユニットに成長する。新たな（二次的な）核生成は最初のベイニティックフェライトとの界面で起きる。オーステナイト中の核生成は、そこで核生成に必要なエネルギーが炭素の濃化があるにも拘わらず、高いエネルギーのα－γ界面から低いエネルギーのα－α界面に置き換えられるAaronson, H.I., Wells, C.: Sympathetic Nucleation of Ferrite, Transactions of the Metallurgical Society of AIME, (1957) 1216–1223。ベイニティックフェライトの成長速度は平衡温度の低下に伴い増加する。これは、サブユニットの成長が止まり、すぐに相界面に新たな核を生成するために、サブユニットが小さくかつ数がより多くなるためである。サブユニットの大きさは元のオーステナイト粒径及びベイニティックフェライトプレートの成長と関係がある。これはオーステナイト粒界と既存のベイニティックフェライトにより制約されるためである。他方、オルソン（Olson）及びバーデシア（Bhadeshia）、コーヘン（Cohen）らの最近の研究では、核の存在を基に、ベイナイトの核生成はマルテンサイトのそれと似ていると報告しているOlson, G.B., Bhadeshia, H.K.D.H., Cohen, M.: Coupled Diffusional / Displacive, Transformations Acta Metallurgica, Vol 37 No 2 (1989) 381–389。核成長を可能とする臨界半径が存在することは受け入れられており、核生成の問題は核成長に帰着することになる。二次的な核生成は、ベイニティックフェライトプレートの成長において、ベイニティックフェライトプレート先端近傍のオーステナイト中にひずみを引き起こすことを説明する。
核成長 thumb|図3: Tu=350℃にて2 h保持した80Si13鋼のミクロ組織（21,000倍） ベイナイト変態が起きる温度範囲においては、マトリックス原子は拡散しないのに対して炭素や窒素のような溶質元素は極めてよく拡散する。
まずは剪断説にて説明する。オーステナイトとフェライトの相界面は整合しており、界面転位からなっているともみなせる。変態はこの界面の熱活性なすべりにより、マトリックス原子の位置の変化を伴わずに進むChristian, J.W.: Simple Geometry and Crystallography Applied to Ferrous Bainits, Metallurgical Transactions A, vol 21A (1990) 799–803。この剪断誘起の、マルテンサイト変態は侵入型元素の拡散に支配され、界面の移動と比べ遅くなる。
バーデシア（Bhadeshia）は、格子の剪断と炭素の拡散という二つの機構が、変態界面の熱活性化運動に関連しているとみなしているBhadeshia, H.K.D.H.: A Rationalisation of Shear Transformation in Steels, Acta Metallurgica Vol 29 (1981) 1117–1130。変態前の潜伏期間中に、生成相の自由エンタルピーを減らして界面運動の駆動力を増加させる、次なる活性化現象の拡散機構が起こりうる。障害を超えてから、拡散機構による障害に遭遇するまで変態界面は自由に、瞬間的にはマルテンサイト変態と同程度（音速程度）の速度で進むと考える。言い換えると、剪断説ではサブユニットが一定の大きさまで成長する間に過飽和炭素の拡散が起こり、やがて次のサブユニットの核生成過程が飛び飛びに繰り返されると考える。ベイナイト変態が飛び飛びに進むとする考察は前述のミクロ組織の観察に基づく。しかしながら、根本によるin-situ観察では、マルテンサイト変態よりも非常に遅い速度でベイナイト変態が連続的に進む様子が観察されているNemoto, M.: Growth of Bainite in an Iron-Nickel-Carbon Alloy, in High Voltage Microscopy, ed. by P.R. Swann, C. J. Humphreys and M. J. Goringe, Academic Press, London, 1974, 230-234。
一方、拡散説のモデルはこの考え（剪断説）と対照的であり、ベイニティックフェライトの成長が拡散支配のレッジ（ステップ）運動がα‐γ界面にて起こり、ウイドマンサイト構造を持つ初析フェライトの生成と関連付けて議論されるHehemann, R.F., Kinsman, K.R., Aaronson, H.I.: A Debate on the Bainite Reaktion, Metallurgical Transactions, Vol 3 (1972) 1077–1094。サンドビック（Sandvik）はしかしながら、変態がベイニティックフェライトプレート成長に伴うオーステナイト側の変形双晶を越えて起き、フェライト中の格子欠陥として認められると報告しているSandvik, B.P.J.: The Bainite Reaktion in Fe-Si-C Alloys: The Primary Stage, the Secondary Stage, Metallurgical Transactions A, Vol 13A (1982) 777–800。レッジの拡散運動に支配された変態は、格子の整合性が乱れるために、双晶境界にて止まらなければならない。また、フェライト中の格子欠陥の存在は通常の拡散変態とは異なる。ダーメン（Dahamen）は表面起伏は拡散変態であっても起こる事実から、表面起伏の存在は変態を剪断支配とする明白な根拠とならないと述べているDahmen, U.: Surface Relief and the Mechanism of a Phase, transformation Scripta Metallurgica, Vol 21 (1987) 1029–1034。
熱力学 変態の駆動力は生成過程と生成相の自由エンタルピーの差によって決まる。つまり必ずしも平衡相にはならず、自由エンタルピーは生成過程と大きな差がある。マルテンサイト及びベイナイト変態のいずれも準安定状態につながる。これらの状態は最小及び遷移しうる状態と関係した平衡状態についてのエネルギーを持ち、平衡するためにエネルギーを放出するBurke, J.: The Kinetics of Phase Transformations in Metals, Pergamon Press London, New York, Paris (1965)。このような準安定状態は、例えば炭素リッチなフェライトが安定なε炭化物となるようなベイナイト変態時などに生じうる。また、相間の自由エンタルピーの差による濃度勾配は非常に生じにくく、準安定状態につながる。
thumb|図4: α−γ変態の自由エンタルピーの釣り合い 図4にα及びγ相の自由エンタルピーに及ぼす炭素濃度の依存性を示す。Xγの炭素濃度を持つγ相が平衡反応により、Xγαの炭素濃度を持つα相とXαγの炭素濃度を持つγ相に分かれる。この二つの平衡濃度は次式の接線となる。
ここでα相とγ相の自由エンタルビーと炭素濃度の関係は双曲線関数として与えられるHobstetter, J.N.: Decomposition of Austenite by Diffusional Processes, Interscience Publishers New York, London (1962)。
強い炭素の拡散分配がα相の炭素濃度Xγαとγ相の炭素濃度Xαγで起こり、ここで、γ相の自由エンタルピーはGγからGαγへ低下し、同時に変態してα相となった体積の自由エンタルピーはGγαまで低下する。系全体の自由エンタルピーはΔG減少し、変態のための駆動力はΔGαとして与えられる。
非平衡反応の条件に置き換えたときの駆動力は、生成した相のXγα或いはXαγの異なる炭素濃度として与えられる。図5にオーステナイト相の濃度をXγ、フェライト相の濃度をXα > Xγαとした場合を示す。純粋な拡散支配変態においては、駆動力ΔGαは専ら相界面前方の拡散領域の移動で消費（散逸）して（ΔG = ΔGα）、その炭素濃度はXm < XαγとなるOlson, G.B.: Interphase Kinematics and the Roles of Structure and Composition in Solid-State, Transformations Srcipta, Met. 21 (1987) 1023–1028。しかしながら、もし相界面のΔGsに加えて剪断が誘起されるなら、相界面の移動において協調的な原子の移動が必要となりBhadeshia, H.K.D.H.: Diffusional and Displacive, Transformations Scripta Metallurgica Vol 21 (1987) 1017–1022、その場所の炭素濃度はXi < Xmとなる。
thumb|図5: 拡散と剪断が作用したときの自由エンタルピーの分配 ΔGαのΔGdとΔGsの分配は拡散が剪断と同じ速度の場合の結果である。この拡散と剪断の結びつきは、図14に示すように移動界面の前方に炭素が濃化するためである。オーステナイト相の炭素の濃化Xiは変態界面に影響を与える。オーステナイト相からの炭素の拡散は、オーステナイトの炭素濃度Xγを増加させる（図14の破線）。XγがXmの値に達するのは、系のエンタルピーの損失がΔG以上にならないために、更なる反応があっても不可能である。ベイナイト変態の停止は例えば炭化物を生成させてXを下げることにより、再開は温度を低くすることでできることになる。
残留オーステナイト ベイナイト変態が完全に終わるためにはオーステナイトから炭化物ができることが必要である。炭化物は多量の炭素を吸収するため、炭化物周囲のオーステナイトの炭素濃度は大きく落ち込む。オーステナイト中の炭素が濃化すると、―前述のように―変態を止めることが可能となる。例えば合金元素として珪素（Si）を添加すると、炭化物を形成して変態が停止して、多量のオーステナイトが変態しなくなり、室温まで焼入れると、部分的に残留オーステナイトを得ることができる。この残留オーステナイト量は変態を終わらせたオーステナイトのマルテンサイト変態の開始温度（Ms点）に依存する。
下部ベイナイト thumb|図6: Tu=250℃にて4 h保持した80Si13鋼のミクロ組織（1,200倍） 下部ベイナイトは上部ベイナイトよりも低温かつマルテンサイト変態開始温度以上の温度で変態させたときに得られるミクロ組織である。理論的には、下部ベイナイトはマルテンサイト変態終了温度（Mf点）までの温度で生成しうる。図6は珪素を含む80Si10鋼の下部ベイナイト組織である。
変態の動力学 バスデバン（Vasudevan）及びグラハム（Graham）、アクソン（Axon）らは350℃以下の温度でベイナイト変態させた時の変態速度と、下部ベイナイト組織の性質を報告しているVasudevan, P., Graham, L.W., Axon H.J.: The Kinetics of Bainite Formation in a Plain Carbon Steel, Journal of the Iron and Steel Institute, (1958) 386–391。その中で下部ベイナイトの成長に要する活性化エネルギーは14,000 cal/mol (0.61 eV)であることから、過飽和フェライトにおける炭素の拡散と関係があり、変態速度が炭素の拡散速度に律速されると論じている。これは炭素量の増加によって、α→γ変態時の体積膨張が低い変態温度で起こるようになるためと述べている。
ラドクリフ（Radcliffe）とローラソン（Rollason）は下部ベイナイトの生成に要する活性化エネルギーは7,500から13,000 cal/mol (0.33-0.56 eV)Radcliffe, S.V., Rollason, E.C.: The Kinetics of the Formation of Bainite in High – Purity Iron – Carbon Alloys, Journal of the Iron and Steel Institute, (1959) 56–65、バーフォード（Barford）は14,500から16,500 cal/mol (0.63-0.72 eV)と報告しているBarford, J.: Kinetic Aspects of the Bainite Reaction, Journal of the Iron and Steel Institute, (1966) 609–614。これらは下部ベイナイトの変態がいくつかの機構に分けられることを示唆する。
変態界面前方の炭素の分配 thumb|図7: 下部ベイナイトのα－γ界面近傍の炭素濃度勾配 低い変態温度においては、オーステナイト中の炭素の拡散速度が小さくなるのにも拘わらず、大きい変態速度が得られていることから、炭素の拡散と剪断機構が同時に働いているとは考えがたい。
そこで、剪断説ではまず最初に相界面近傍の炭素を完全に過飽和したオーステナイトがマルテンサイトに変態してから、炭素が拡散してフェライト（マルテンサイト）の炭素濃度がオーステナイトとほぼ同じになると考える。図7にその模式図を示す。ここでは、フェライト中に炭化物を析出するか、残存するオーステナイトに炭素を拡散することで、フェライトの高い炭素濃度が低下することとなるBhadeshia, H.K.D.H., Edmonds, D.: The Bainite Transformation in a Silicon Steel, Part I + II, Metallurgical Transactions, Vol 10A (1979) 895–907。
炭化物の析出 thumb|図8: 下部ベイナイト中に析出した炭化物の模式図 thumb|図9: 下部ベイナイト組織の形成の概略