Мартенсит - Martensite

Мартенсит из стали AISI 4140
Углеродистая сталь 0,35%, закалка в воде от 870 ° C

Мартенсит - это очень твердая форма кристаллической структуры стали . Он назван в честь немецкого металлурга Адольфа Мартенса . По аналогии термин может также относиться к любой кристаллической структуре, которая образована бездиффузионным преобразованием .

Свойства

Мартенсит образуется в углеродистой стали 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-фазное железо (γ-Fe), твердый раствор железа и легирующих элементов. В результате закалки, в гранецентрированной кубической аустенит переходит в сильно деформированном объемно-центрированной тетрагональной форме называемой мартенсита , который пересыщенного с углеродом . Возникающие в результате деформации сдвига приводят к появлению большого количества дислокаций, что является основным механизмом упрочнения сталей. Наивысшая твердость перлитной стали составляет 400 по  Бринеллю , тогда как мартенсит может достигать 700 по Бринеллю.

Мартенситная реакция начинается во время охлаждения, когда аустенит достигает начальной температуры 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 , когда превращение завершится.

Для эвтектоидной стали (0,78% 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% углерода 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, начиная с 750 ° C и заканчивая 450 ° C, происходит за 0,7 секунды (скорость 430 ° C / с), перлит не образуется, и сталь будет мартенситной с небольшое количество остаточного аустенита.

Для стали с 0-0,6% углерода, мартенсит имеет вид рейки и называется пластинчатый мартенсит. Для стали с содержанием углерода более 1% она образует пластинчатую структуру, называемую пластинчатым мартенситом. Между этими двумя процентами физический вид зерен представляет собой смесь двух. Прочность мартенсита снижается по мере увеличения количества остаточного аустенита. Если скорость охлаждения ниже, чем критическая скорость охлаждения, некоторое количество перлита будет образовываться, начиная с границ зерен, где он будет расти в зерна, пока не будет достигнута температура M s , а затем оставшийся аустенит превращается в мартенсит примерно при половине скорость звука в стали.

В некоторых легированных сталях мартенсит может быть образован обработкой стали при температуре M s закалкой до температуры ниже M s, а затем обработкой пластической деформацией до уменьшения площади поперечного сечения от 20% до 40% от исходной. Плотность дислокаций достигает 10 13 / см 2 . Большое количество дислокаций в сочетании с выделениями, которые образуются и закрепляют дислокации на месте, создают очень твердую сталь. Это свойство часто используется в упрочненной керамике, такой как оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, и в специальных сталях, таких как стали TRIP . Таким образом, мартенсит может быть вызван термическим воздействием или напряжением.

Для роста мартенситной фазы требуется очень небольшая энергия термической активации, потому что процесс представляет собой бездиффузионное превращение, которое приводит к тонкой, но быстрой перестройке атомных позиций и, как известно, происходит даже при криогенных температурах. Мартенсит имеет более низкую плотность, чем аустенит, поэтому мартенситное превращение приводит к относительному изменению объема. Значительно большее значение, чем изменение объема, имеет деформация сдвига , которая имеет величину около 0,26 и определяет форму пластин мартенсита.

Мартенсит не показан на диаграмме состояния равновесия системы железо-углерод, поскольку он не является равновесной фазой. Равновесные фазы образуются при медленных скоростях охлаждения, что дает 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 воздействием тепла. Этот процесс называется темперированием . В некоторых сплавах эффект снижается за счет добавления таких элементов, как вольфрам, которые мешают зародышеобразованию цементита, но чаще всего зародышеобразование продолжается для снятия напряжений. Так как закалку трудно контролировать, многие стали закаливают для получения избыточного количества 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 хрупкости материала. Слишком большое количество мартенсита делает сталь хрупкой ; слишком мало оставляет его мягким.

Смотрите также

Ссылки

внешние ссылки