Мартенсит

МАРТЕНСИТ

МАРТЕНСИТ

– структура сплавов, возникающая при их термической обработке при быстром охлаждении. В железоуглеродистых сплавах (сталях и чугунах) мартенсит возникает при содержании углерода более 0,3% при закалке в воде. Перед закалкой сталь нагревается до температур, обеспечивающих переход феррита и перлита в аустенит (выше 723° С). Также по теме: СПЛАВЫ

У мартенсита игольчатая микроструктура, высокая твердость и прочность, низкая пластичность.

Физический механизм образования мартенсита принципиально отличается от механизма других процессов, происходящих в стали при нагреве и охлаждении. Другие процессы диффузионны, т.е. атомы перемещаются с малой скоростью, например, при медленном охлаждении аустенита создаются зародыши кристаллов феррита и цементита, к ним в результате диффузии пристраиваются дополнительные атомы и, наконец, весь объем приобретает перлитную или феррито-перлитную структуру. Мартенситное превращение бездиффузионно, атомы перемещаются с большой скоростью по сдвиговому механизму, скорость распространения составляет тысячи м/с.

Диаграмма состояния железо – углерод соответствует равновесным превращениям в сплавах при медленном нагреве и охлаждении, поэтому мартенситной области на диаграмме нет.

Кристаллическая структура мартенсита тетрагональна, элементарная ячейка имеет форму прямоугольного параллелепипеда, атомы железа расположены в вершинах и центре ячейки, атомы углерода в объеме ячеек. Структура неравновесна, и в ней есть большие внутренние напряжения, что в значительной степени определяет высокую твердость и прочность сталей с мартенситной структурой.

При нагреве сталей с мартенситной структурой происходит диффузионное перераспределение атомов углерода. В стали возникают две фазы – феррит, содержащий очень мало углерода (до 0,03%) и цементит (6,67% углерода). Элементарная ячейка феррита имеет форму куба, атомы железа расположены в вершинах и в центре куба (объемноцентрированная структура), цементит имеет ромбическую структуру. Элементарная ячейка цементита имеет форму прямоугольного параллелепипеда.

Кристаллическая решетка мартенсита связана постоянными кристаллографическими соотношениями с решеткой исходной структуры аустенита, т.е. плоскости с определенными кристаллографическими индексами в структуре мартенсита параллельны плоскостям с определенными индексами в структуре аустенита. Соотношение между кристаллографическими направлениями в решетках мартенсита и аустенита аналогично.

Мартенситное превращение при охлаждении происходит не при постоянной температуре, а в определенном интервале температур, при этом превращение начинается не при температуре распада аустенита в равновесных условиях, а при на несколько сотен градусов ниже. Оканчивается превращение при температуре значительно ниже комнатной. Таким образом, в интервале температур мартенситного превращения в структуре стали, наряду с мартенситом, есть и остаточный аустенит.

При пластической деформации стали при температурах мартенситного превращения количество мартенсита увеличивается. В некоторых случаях так же влияет упругая деформация.

Кроме железоуглеродистых сплавов, мартенситное превращение наблюдается и в некоторых других, например, сплавах на основе титана.

Лев Миркин

Мартенситные трансформации в полиморфных кристаллах

Аналогичные мартенситные превращения, когда атомы не меняются местами, а только смещаются друг относительно друга на расстояния, меньшие, чем межатомные (сокращение межатомных связей и изменение углов между ними), наблюдаются не только в сплавах железа, но и в других полиморфных кристаллах.

Такие превращения, их еще называют метаморфозными, имеют место в сталях, чистых металлах: железе, кобальте, титане, литии, как минимум в 35 металлах, в твердых растворах на их основе, в полупроводниках и в полимерах, в интерметаллидах.

В отличие от нормальных равновесных полиморфных превращений мартенситные превращения бездиффузны и метастабильны. Эти превращения носят неравновесный характер. Физика металлов гласит: неравновесные состояния должны быть саморганизованными.

С точки зрения второго закона термодинамики мартенситные трансформации в веществах происходят с убыванием энтропии. Это означает, что кристаллические структуры таких превращений являются результатом самоорганизации, а их параметры приближаются к сверхкритическим.

Структура интерметаллида моноалюминида никеля после мартенситного превращения способна выдерживать температуры до 1300 градусов при высоких нагрузках, но из-за повышенной хрупкости применяется только в качестве жаростойкого покрытия газотурбинных двигателей.

Некоторые интерметаллиды с мартенситными структурами, имеющими в своем составе, платину используют в качестве катализаторов в производстве азота. В связи с ужесточением экологических норм для автомобилей ведутся разработки по дожиганию продуктов сгорания с применением интерметаллидов.

На кристаллах некоторых полупроводников (кремний, германий) можно наблюдать прямые или обратные бездиффузные фазовые переходы состояний. Эксперименты по термообработке кремниевых пластин были реализованы на производстве с 20% экономическим эффектом.

Исследуя процесс обратимости мартенситных трансформаций на перекристаллизации сплава TiNi (интерметаллида), обнаружено изменение размеров образцов.

Эффект памяти

Дальнейшие эксперименты с различными материалами показали, что многие полиморфные кристаллы могут проявлять такие свойства как эффект памяти формы, сверхупругость и сверхпластичность.

Деформация и ее уменьшение или даже полное восстановление исходных форм при обратном протекании мартенситных превращений названо эффектом памяти формы. А все явления, связанные с мартенситными превращениями в веществах объединены под одним названием «необычные физико-механические свойства».

Эффект памяти формы уже сегодня используется в гидравлических муфтах в кораблестроении и авиации, в демпфирующих приспособлениях, в термореле, в медицине для лечения сколиоза, соединения сломанных костей, в хирургии сердца, в стоматологии.

Образование[править | править код]

Физический механизм образования мартенсита принципиально отличается от механизма других процессов, происходящих в стали при нагреве и охлаждении. Другие процессы диффузионны, то есть атомы перемещаются с малой скоростью, например, при медленном охлаждении аустенита создаются зародыши кристаллов феррита и цементита, к ним в результате диффузии пристраиваются дополнительные атомы и, наконец, весь объём приобретает перлитную или феррито-перлитную структуру. Мартенситное превращение бездиффузионно (сдвиговое превращение), атомы перемещаются с большой скоростью по сдвиговому механизму, скорость распространения порядка тысячи метров в секунду.

Свойства и структура мартенсита

Мартенсит – это зерна игольчатой формы в микроструктуре металла, представляющие собой перенасыщенный твердый раствор углерода в альфа-железе. Такая структура характерна для сталей, прошедших процедуру закалки, а также для некоторых чистых металлов, обладающих полиморфизмом. Своим названием мартенсит обязан Адольфу Мартенсу – немецкому ученому, посвятившему большую часть своей жизни вопросам изучения металлов и их свойств. Следует отметить, что мартенситные стали из-за особенностей своей структуры отличаются самой высокой твердостью среди подобных материалов.

С таким явлением, как мартенситное превращение, происходящим при нагреве и охлаждении стали, связан уникальный эффект «памяти металла», обнаруженный и описанный учеными Г.В. Курдюмовым и Л.Г. Хандросом в 1949 году. Суть данного эффекта заключается в том, что деформация металла, создаваемая в нем в тот момент, когда происходит прямое мартенситное превращение, полностью исчезает во время обратного превращения. Благодаря этому эффекту ученым удалось создать сплавы, обладающие памятью своей формы. Изделия из таких сплавов, которые были подвергнуты деформации в мартенситном состоянии, принимают свою первоначальную форму, если их нагреть до температуры, вызывающей мартенситное превращение в стали.

Кристаллическая решетка мартенсита, формирующегося в структуре закаленного металла, является не кубической, а тетрагональной. Каждый ее элемент имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Центральную часть такой ячейки (а также ее вершины) занимают атомы железа, во внутреннем пространстве между которыми находятся атомы углерода.

Мартенситные стали, как уже говорилось выше, отличаются высокой твердостью и прочностью, а объясняется это тем, что структура мартенсита, являясь неравновесной, характеризуется наличием сильных внутренних напряжений. В мартенситных сталях при их нагреве перераспределяются атомы углерода. Это явление носит диффузионный характер. В результате такого распределения в структуре стали формируются две фазы, каждая из которых отличается содержанием углерода и формой своей кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка мартенсита

Такими фазами, которыми характеризуются все стали мартенситного класса при их нагреве, являются:

  • феррит, в котором содержится очень незначительное количество углерода – до 0,02% (элементарные ячейки кристаллической решетки феррита имеют форму куба, вершины и центр которого образуют атомы железа; все остальное пространство в таких ячейках занимает углерод);
  • цементит, в котором содержание углерода значительно выше – до 6,67% (ромбическую кристаллическую решетку цементита формируют элементарные ячейки, имеющие форму прямоугольного параллелепипеда).

Исходной структурой для образования мартенсита является аустенит. Кристаллические решетки данных образований, одновременно присутствующих в микроструктуре стали, связаны между собой ориентационными соотношениями. Заключается данная связь в том, что плоскости решеток аустенита и мартенсита, которые имеют определенные кристаллографические индексы, параллельны друг другу.

Различные типы мартенсита, образующиеся при закалке аустенита

Эта структура формируется при температуре ниже 2000. Она характерна для углеродистых и легированных сталей. Свойства мартенсита данного типа, присутствующего в структуре металла в виде пластин, определяет наличие на таких пластинах так называемого мидриба – средней линии, характеризующейся повышенной травимостью. Двойниковым данный мартенсит называют потому, что мидриб каждой его пластины образуется множеством двойников. Такие двойники, располагающиеся по плоскостям пластин мартенсита, имеют толщину 5–30 нм.

Оптическая микрофотография мартенсита пластинчатой структуры

Это образование характерно для структуры сталей, относящихся к высоколегированным, мало- и среднеуглеродистым. Температурный порог, при котором в таких сталях происходит формирование мартенситной структуры, находится выше отметки 3000. Мартенсит данного типа в полном соответствии со своим названием имеет форму вытянутых в одном направлении реек, толщина каждой из которых находится в интервале 0,2–2 мкм (при этом их длина больше ширины примерно в 5 раз). Структура металла, сформированная из мартенсита данного типа, представлена в виде сочетания групп (пакетов) таких параллельных друг другу кристаллов-реек. В этой структуре можно увидеть и прослойки между рейками мартенсита, состоящие из остаточного аустенита. Толщина таких прослоек в сплавах разного типа может составлять от 10 до 20 нм.

Применение мартенситных марок стали

В мартенситные стали добавляют легирующие элементы, чтобы получить нужные свойства сплавов: прочность, износостойкость, хладо-жаропрочность, коррозийную стойкость. В одной марке легированной стали может быть до 7 легирующих элементов. Стали легируют никелем, хромом, азотом, вольфрамом, бериллием, ванадием, кремнием, молибденом, медью, бором.

Обычно в обозначении стали зашифрованы легирующие добавки и их количество (38ХН3МФА), некоторые экспериментальные шифруются буквой Э. В этом случае буква не отражает состава стали – ЭИ, ЭП3. Иногда стали, предназначенные для изготовления выпускных авиационных и автомобильных клапанов, называют сокращенно – сильхромы.

Легированные мартенситные стали способны противостоять агрессивным среда: кислотам, щелочам, солям, агрессивным газам. По применению мартенситные стали бывают коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные и стали специального назначения.

Коррозионностойкие марки сталей (15Х28, 20Х13, 12Х18Н9) применяют на опытных производствах, в химической промышленности.

Жаростойкие марки сталей (ХН60Ю, 12Х25Н16Г7АР, (15Х6СЮ) используют для изготовления деталей, которые работают под умеренной нагрузкой при температурах до 1000 градусов.

Изделия из жаропрочных марок сталей (15Х6СЮ, 08Х13, 14Х17Н2) могут работать под нагрузкой весьма длительный и длительный период при высоких температурах.

К специальным сталям можно отнести стали, из которых катают броневой сэндвич. Отдельное место занимает сталь Гадфильда (1,1% углерода, 13% магния). При работе в условиях высоких давлений происходит самопроизвольная пластическая деформация и соответственно увеличивается степень ее прочности. Уникальные механические свойства пока не до конца изучены.

Магнитные свойства мартенситной стали

У мартенситной структуры кристаллической решетки стали ярко выражены магнитные свойства. Мартенсит – ферромагнетик в чистом виде. Однако выдержать идеальный химический состав сложно. Углеродистые мартенситные стали, легированные молибденом, кобальтом и хромом (ЕХ9К15М2), кобальтом и хромом (ЕХ5К6), хромом (ЕХ3) можно отнести магнитотвердыми материалами.

Легирование кобальтом наиболее эффективно с точки зрения магнетизма – у атомов кобальта присутствует магнитный момент, таким образом, остаточная индукция мартенсита возрастает. Низкая цена и легкость механической и термической обработки дает возможность применения мартенситных сталей в магнитных системах в качестве переключателей для изменения направления при подаче управляющих сигналов.

Свариваемость мартенситных сталей

Технологии сварки мартенситных сплавов усложняются повышенной хрупкостью металла после закалки. Эти типы стали варят после предварительного нагрева примерно от 200 до 450 градусов, температура окружающей среды не должна быть отрицательной. Обычно детали из стали мартенситной группы сваривают методами ручной дуговой сварки электродами, покрытыми специальными составами. Иногда используют и другие виды сварки: аргонодуговые, электрошлаковые, под флюсом.

Остаточный аустенит

Типичная структура мартенсита закалённой стали имеет игольчатый вид. Аустенит, который существует при нормальной температуре наряду с мартенситом, называется остаточным аустенитом

. При наличии значительных количеств остаточного аустенита (практически более 20-30%) он обнаруживается металлографически в виде светлых полей между иглами мартенсита.Количество остаточного аустенита в стали, фиксируемое закалкой, зависит от положения мартенситной точки. Чем ниже мартенситная точка, тем больше остаточного аустенита. Поэтому углерод, снижая мартенситную точку,увеличивает количество остаточного аустенита . Закалённые малоуглеродистые стали почти не содержат остаточного аустенита (содержание остаточного аустенита в сталях Присутствие остаточного аустенита в структуре мартенситной (закалённой) стали снижает твердость и является нежелательным явлением.

При нагревании остаточный мартенсит распадается с различными вариантами развития событий, в зависимости от первоначального количества остаточного аустенита, а также степени концентрации углерода в остаточном аустените (Превращения в сталях при отпуске, ).

Мартенситные нержавеющие стали

Хромистые нержавеющие стали, в составе которых содержится повышенное количество углерода имеют структуру мартенсита. Для обеспечения заданных коррозионных и других свойств, мартенситные стали дополнительно легируются никелем и другими химическими элементами. Никель взаимодействуя с углеродом стабилизирует структуру нержавеющей стали, а молибден, вольфрам, ванадий, ниобий вводят для повышения жаропрочности сталей.

Прочность обычных мартенситных хромистых нержавеющих сталей остается удовлетворительной прочностью при температурах до 500оС, то дополнительное легирование элементами, образующими соединения с углеродом поднимают этот порог до 650оС. Это позволяет использовать легированные мартенситные хромистые нержавеющие стали для изготовления элементов современного энергетического оборудования. Молибден и вольфрам, кроме того, снижают хрупкость при длительной эксплуатации при высоких температурах.

Стали мартенситного класса, такие как 20Х13, 30Х13, 40Х13, 65Х13 и др., обладают повышенной твердостью и используются для изготовления режущего инструмента, и элементов оборудования работающих на износ. Термическая обработка сталей этой группы заключается в закалке и отпуске на заданную твердость.

Мартенситные нержавеющие стали так же склонны к хрупкому разрушению в закаленном состоянии, что усложняет технологию их сварки. Содержание углерода в мартенситных сталях, как правило, превышает 0,10%, и это приводит к образование холодных трещин в процессе охлаждения мартенсита, после нагрева электросваркой. При снижении содержания углерода дополнительным легированием вязкость мартенсита повышается, однако при этом возникает другая опасность, а именно образование структурно-свободного феррита, который, так же является причиной высокой хрупкости стали.

Для предотвращения образования холодных трещин мартенситные нержавеющие стали сваривают при температуре воздуха ≥0оС и применяют предварительный и сопутствующий подогрев до 200 . 450оС. Температура подогрева назначается в зависимости от склонности стали к закалке.

Центральные особенности сталей мартенситного типа

Как уже было сказано, мартенситные стали в своей основе – хромистые. Еще одно отличие – высокий процент содержания в них углерода. Наблюдается и ряд других примесей, определяющих будущую область использования и характеристики конкретного материала. Это молибден, вольфрам, ниобий. На этом список компонентов не ограничивается. При создании такого типа стали удается достичь не только устойчивости к коррозии, но и достаточной жаропрочности для расширения горизонта использования.

У данной разновидности продукции присутствует целый ряд особенностей, среди которых:

Устойчивость к появлению повреждений при соприкосновении с растворами щелочей. В такой ситуации, материал остается устойчивым к появлению коррозии и не изменяет своей структуры. Это наблюдается даже на фоне высокого уровня влажности. Защищенность от повреждения при воздействии высоких температур. Основное условие получение полного спектра положительных качеств использования – правильная закалка материала. Сталь требуется закалять при температуре не ниже 1050 °С. Дополнительное использование после нагрева сорбита и троостита помогает создать по-настоящему устойчивый к жару материал, не меняющий свих свойств при нагреве. Более того, такие стали отличаются способностью к прохождению самозакаливания с попутным увеличением полезных качеств. Низкая пластичность. Это свойство особенно ценно на фоне того, что материал отличается повышенной твердостью. При этом сам материал не теряет своих показателей, даже если в процессе легирования в него будут вводиться дополнительные элементы – пластичность останется на том же уровне. Устойчивость к воздействию воды. Такая особенность помогает создать материал, способный прослужить на протяжении длительного времени даже при соприкосновении с водой. Жидкость не способна разрушить внешний слой защитных материалов на стали и вызвать коррозию.

Помимо этого, при покупке стоит учитывать высокие показатели водоустойчивости, а также то, что мартенситный металл не так просто обрабатывать с использованием стандартного инструмента для подобных работ.

Как влияет наличие остаточного аустенита на свойства стали?

Тема 10. Структурные превращения при закалке. Виды и способы закалки. Понятие о прокаливаемости.

Структурные превращения при закалке.

Как происходит бездиффузионное превращение аустенита?

При больших степенях переохлаждения возрастает термодинамическая неустойчивость аустенита, скорость диффузии углерода резко падает. При переохлаждении аустенита в эвтектоидной стали до

240 ºC подвижность атомов углерода близка к нулю, и происходитбездиффузионное превращение аустенита. При этом меняется лишь тип решетки γ→α, а весь углерод (0,8%), ранее растворенный в решетке аустенита, остается в решетке феррита, несмотря на то, что равновесная концентрация углерода в феррите при комнатной температуре не превышает 0,006 %. В результате образуется пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железе.

10.1. 2. Какая структура называется мартенситом? Охарактеризуйте кристаллическую структуру мартенсита? Из-за пересыщенности углеродом решетка пересыщенного твердого раствора в Fe α сильно искажена и вместо кубической приобретает тетрагональную форму, при которой отношение параметров решетки существенно отличается от единицы, т.е. с/а≠1(Рис.1). Такая структура называется мартенситом.

Мартенсит -пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железе с тетрагональной решеткой. Чем больше углерода, тем выше степень тетрагональности мартенсита. Такая структура при рассмотрении под микроскопом имеет игольчатый вид.

Рис. 1. Тетрагональная кристаллическая ячейка мартенсита.

Пластины мартенсита растут до границы аустенитного зерна либо до имеющего в стали дефекта. Последующие пластины мартенсита, расположенные под углом к первым, ограничены размерами первичных пластин мартенсита и границами аустенитных зерен. Кристаллическая решетка новой фазы мартенсита закономерно ориентирована относительно исходной фазы – аустенита. При практически мгновенном γ→α переходе атомы смещаются упорядоченно, строго ориентированно на расстояния, меньшие межатомных. При этом сохраняется общая сопрягающая плоскость решеток γ- и α-Fe – так называемая когерентная связь. Из-за когерентности сопряжения решеток и различия удельных объемов фаз (аустенита и мартенсита) мартенситное превращение приводит к возникновению больших внутренних напряжений.

Какую твердость имеет мартенсит? Чем обусловлена высокая твердость мартенсита?

Мартенсит имеет высокую твердость (до 65 НRC) и прочность, значения которых возрастают с увеличением содержания углерода в мартенсите. Временное сопротивление низкоуглеродистого мартенсита (0,25 %С) составляет 1000 МПа, а мартенсит с содержанием 0,6-0,7 %С имеет временное сопротивление 2600-2700 МПа. Однако с повышением содержания углерода в мартенсите возрастает и его склонность к хрупкому разрушению.

Высокая твердость мартенсита обусловлена искажениями кристаллической решетки и соответственно большими внутренними напряжениями, определяемыми растворенным углеродом, а также возникновением фазового наклепа за счет увеличения объема при превращении аустенита в мартенсит. В результате этого плотность дислокаций в мартенсите достигает уровня холоднодеформируемой стали и равняется 1010-1012 см -2

При каких температурах начинается и заканчивается мартенситное превращение? От каких факторов зависит температура начала и конца мартенситного превращения?

Мартенситное превращение идет в интервале температур начала и конца мартенситного превращения Мн и Мк (рис.2). Положение точек Мн и Мк не зависит от скорости охлаждения, но зависит от содержания углерода в стали. Для эвтектоидной стали оно начинается при 240 и заканчивается при –50 ºC. Однако при этой температуре в стали сохраняется еще некоторое количество не превращенного, так называемого остаточного аустенита. Охлаждение ниже температуры Мк не приводит к его окончательному распаду.

Рис. 2. Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали.

Как влияет наличие остаточного аустенита на свойства стали?

Наличие остаточного аустенита нежелательно, так как приводит к неоднородности свойств по сечению деталей и изменению размеров деталей при его распаде.

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitterВКонтакте
Напишите комментарий