Мартенсит – это очень твердая форма кристаллической структуры стали . Назван в честь немецкого металлурга Адольфа Мартенса . По аналогии этот термин может также относиться к любой кристаллической структуре, которая образуется в результате бездиффузионного преобразования . [1]
Мартенсит образуется в углеродистых сталях в результате быстрого охлаждения ( закалки ) аустенитной формы железа с такой высокой скоростью, что атомы углерода не успевают диффундировать из кристаллической структуры в достаточно больших количествах для образования цементита (Fe 3 C). . Аустенит – это гамма-фаза железа (γ-Fe), твердый раствор железа и легирующих элементов. В результате закалки гранецентрированный кубический аустенит превращается в сильно напряженную объемноцентрированную тетрагональную форму, называемую мартенситом , пересыщенную углеродом . В результате сдвиговых деформаций образуется большое количество дислокаций, что является основным механизмом упрочнения сталей. Самая высокая твердость перлитной стали составляет 400 по Бринеллю , тогда как мартенсит может достигать 700 по Бринеллю. [2]
Мартенситная реакция начинается во время охлаждения, когда аустенит достигает температуры начала мартенсита (M s ), и исходный аустенит становится механически нестабильным. По мере закалки образца все больший процент аустенита превращается в мартенсит до тех пор, пока не будет достигнута более низкая температура превращения M f , после чего превращение завершается. [1]
В эвтектоидной стали (0,76% C) останется от 6 до 10% аустенита, называемого остаточным аустенитом. Процент остаточного аустенита увеличивается от незначительного для стали с содержанием углерода менее 0,6% до 13% остаточного аустенита при 0,95% С и 30–47% остаточного аустенита для стали с содержанием углерода 1,4%. Для создания мартенсита необходима очень быстрая закалка. Для эвтектоидной углеродистой стали тонкого сечения, если закалка, начинающаяся при 750 °С и заканчивающаяся при 450 °С, происходит за 0,7 секунды (скорость 430 °С/с), перлит не образуется, и сталь будет мартенситной с небольшое количество остаточного аустенита. [2]
В стали с содержанием углерода 0–0,6% мартенсит имеет вид реек и называется реечным мартенситом. Для стали с содержанием углерода более 1% образуется пластинчатая структура, называемая пластинчатым мартенситом. Между этими двумя процентами внешний вид зерен представляет собой смесь этих двух процентов. Прочность мартенсита снижается по мере увеличения количества остаточного аустенита. Если скорость охлаждения ниже критической скорости охлаждения, некоторое количество перлита сформируется, начиная с границ зерен, где он будет прорастать в зерна до тех пор, пока не будет достигнута температура M s , затем оставшийся аустенит превращается в мартенсит примерно при половине температуры охлаждения. скорость звука в стали.
В некоторых легированных сталях мартенсит может образовываться при обработке стали при температуре M s путем закалки до температуры ниже M s , а затем при обработке пластическими деформациями до уменьшения площади поперечного сечения на 20–40 % от исходной. В результате этого процесса достигается плотность дислокаций до 10 13 /см 2 . Большое количество дислокаций в сочетании с выделениями, которые возникают и закрепляют дислокации на месте, дает очень твердую сталь. Это свойство часто используется в закаленной керамике, такой как цирконий, стабилизированный иттрием , и в специальных сталях, таких как стали TRIP . Таким образом, мартенсит может быть вызван термическим воздействием или напряжением. [1] [3]
Для роста мартенситной фазы требуется очень мало энергии термической активации , поскольку этот процесс представляет собой бездиффузионное превращение, которое приводит к тонкой, но быстрой перестройке положений атомов и, как известно, происходит даже при криогенных температурах. [1] Мартенсит имеет меньшую плотность, чем аустенит, поэтому мартенситное превращение приводит к относительному изменению объема. [4] Значительно большее значение, чем изменение объема, имеет деформация сдвига , которая имеет величину около 0,26 и определяет форму пластин мартенсита. [5]
Мартенсит не показан на равновесной фазовой диаграмме системы железо-углерод, поскольку он не является равновесной фазой. Равновесные фазы образуются при медленных скоростях охлаждения, обеспечивающих достаточно времени для диффузии, тогда как мартенсит обычно образуется при очень высоких скоростях охлаждения. Поскольку химические процессы (достижение равновесия) ускоряются при более высокой температуре, мартенсит легко разрушается под действием тепла. Этот процесс называется темперированием . В некоторых сплавах эффект снижается за счет добавления таких элементов, как вольфрам , которые мешают зародышеобразованию цементита, но чаще всего зародышеобразованию позволяют продолжиться для снятия напряжений. Поскольку закалку трудно контролировать, многие стали закаливают до избытка мартенсита, а затем отпускают для постепенного снижения его концентрации до тех пор, пока не будет достигнута предпочтительная структура для предполагаемого применения. Игольчатая микроструктура мартенсита приводит к хрупкому поведению материала. Слишком большое количество мартенсита делает сталь хрупкой ; слишком мало делает его мягким.
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)