Мартенсит — очень твердая форма кристаллической структуры стали . Названа в честь немецкого металлурга Адольфа Мартенса . По аналогии этот термин может также относиться к любой кристаллической структуре, которая образуется путем бездиффузионного превращения . [1]
Мартенсит образуется в углеродистых сталях при быстром охлаждении ( закалке ) аустенитной формы железа с такой высокой скоростью, что атомы углерода не успевают диффундировать из кристаллической структуры в достаточно больших количествах для образования цементита (Fe3C ) . Аустенит — это гамма-фаза железа (γ-Fe), твердый раствор железа и легирующих элементов. В результате закалки гранецентрированный кубический аустенит превращается в сильно деформированную объемно-центрированную тетрагональную форму, называемую мартенситом, которая пересыщена углеродом . Возникающие при этом деформации сдвига приводят к образованию большого количества дислокаций, что является основным механизмом упрочнения сталей. Самая высокая твердость перлитной стали составляет 400 единиц по Бринеллю , тогда как мартенсит может достигать 700 единиц 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, пока не будет достигнута более низкая температура превращения M f , в этот момент превращение завершается. [1]
Для 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 содержании углерода 0,95% 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 начинается при 750 °C и заканчивается при 450 °C за 0,7 секунды (скорость 430 °C/с), перлит не образуется, и сталь будет мартенситной с небольшим количеством остаточного аустенита. [2]
Для стали с содержанием углерода 0–0,6% мартенсит имеет вид реечной структуры и называется реечным мартенситом. Для стали с содержанием углерода более 1% она образует пластинчатую структуру, называемую пластинчатым мартенситом. Между этими двумя процентами физический вид зерен представляет собой смесь этих двух. Прочность мартенсита снижается по мере увеличения количества остаточного аустенита. Если скорость охлаждения ниже критической скорости охлаждения, некоторое количество перлита будет образовываться, начиная с границ зерен, где он будет прорастать в зерна до тех пор, пока не будет достигнута температура M s , затем оставшийся аустенит преобразуется в мартенсит примерно со скоростью, равной половине скорости звука в стали.
В некоторых легированных сталях мартенсит может быть образован обработкой стали при температуре M s путем закалки до температуры ниже M s и последующей обработки пластическими деформациями до уменьшения площади поперечного сечения от 20% до 40% от исходной. Процесс создает 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 стабилизированный иттрием цирконий , и в специальных сталях, таких как TRIP-стали . Таким образом, мартенсит может быть термически вызван или вызван напряжением. [1] [3]
Рост мартенситной фазы требует очень мало энергии термической активации , поскольку этот процесс представляет собой бездиффузионное превращение, которое приводит к едва заметной, но быстрой перестройке атомных позиций и, как известно, происходит даже при криогенных температурах. [1] Мартенсит имеет более низкую плотность, чем аустенит, поэтому мартенситное превращение приводит к относительному изменению объема. [4] Значительно большее значение, чем изменение объема, имеет сдвиговая деформация , которая имеет величину около 0,26 и которая определяет форму пластин мартенсита. [5]
Мартенсит не показан на диаграмме равновесного состояния системы железо-углерод, поскольку он не является равновесной фазой. Равновесные фазы образуются при медленных скоростях охлаждения, которые обеспечивают 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 при применении тепла. Этот процесс называется отпуском . В некоторых сплавах эффект уменьшается путем добавления таких элементов, как вольфрам , которые мешают зарождению цементита, но чаще всего зарождению позволяют продолжаться, чтобы снять напряжения. Поскольку закалку трудно контролировать, многие стали закаливают для получения избыточного количества мартенсита, затем отпускают для постепенного снижения его концентрации, пока не будет достигнута предпочтительная структура для предполагаемого применения. Игольчатая микроструктура мартенсита приводит к хрупкому поведению материала. Слишком много мартенсита делает сталь хрупкой ; слишком мало делает ее мягкой.
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)