Мартенсит

Мартенсит — это метастабильная структурная составляющая (фаза) в сплавах, образующаяся в результате бездиффузионного (сдвигового) фазового превращения при быстром охлаждении (закалке) аустенита. Является основной упрочняющей фазой в закалённых сталях, определяющей их высокую твёрдость и прочность, но одновременно и хрупкость. Назван в честь немецкого металловеда Адольфа Мартенса (1850—1914).

История открытия и изучения

Впервые микроструктура, характерная для закалённой стали, была описана в 1860-х годах. В 1878 году английский металлург Генри Клифтон Сорби, используя микроскоп, опубликовал зарисовки игольчатой структуры закалённой стали. Однако систематическое изучение превращения началось в конце XIX века.

В 1890-х годах немецкий учёный Адольф Мартенс, работавший в области металлографии, детально описал эту структуру. В 1895 году французский металлург Флорис Осмонд предложил назвать её «мартенситом» в честь Мартенса. В начале XX века советский учёный Г. В. Курдюмов (1902—1996) заложил основы кристаллографии мартенситного превращения, установив ориентационные соотношения между решётками аустенита и мартенсита. В 1930-х годах американский исследователь Эдгар Бейн (1891—1971) предложил модель превращения, известную как «деформация Бейна». В середине XX века японский физик Коити Симидзу и другие учёные разработали теорию кристаллографического сдвига, объясняющую механизм мартенситного превращения.

Механизм образования

Мартенситное превращение является бездиффузионным — атомы не успевают перемещаться на расстояния, превышающие межатомные, а лишь смещаются на доли межатомного расстояния, сохраняя относительное расположение соседей. Превращение происходит путём сдвига (среза) кристаллической решётки аустенита (ГЦК — гранецентрированная кубическая) в решётку мартенсита (ОЦК — объёмноцентрированная кубическая или тетрагональная). Скорость роста кристалла мартенсита чрезвычайно велика — до 1000 м/с, что близко к скорости звука в металле.

Условия образования

Для начала мартенситного превращения необходимо переохладить аустенит ниже температуры начала мартенситного превращения (Mн). Эта температура зависит от химического состава стали: чем выше содержание углерода и легирующих элементов, тем ниже Mн. Превращение продолжается при дальнейшем охлаждении до температуры конца мартенситного превращения (Mк). Если Mк ниже комнатной температуры, часть аустенита остаётся незакалённым (остаточный аустенит).

Кристаллографические особенности

Кристаллы мартенсита имеют форму тонких пластин или линз (игл), ориентированных под определёнными углами к исходной решётке аустенита. Ориентационные соотношения описываются соотношениями Курдюмова — Закса или Нишиямы — Вассермана. Внутри каждого кристалла мартенсита существует высокая плотность дислокаций и двойников, что и обеспечивает его высокую прочность.

Классификация

Мартенсит классифицируют по нескольким признакам:

По морфологии

• Пластинчатый (игольчатый) мартенсит: образуется в высокоуглеродистых сталях (более 0,6 % C). Характеризуется крупными пластинами, часто срединной линией (мидрибом). Обладает высокой твёрдостью, но крайне хрупок.
• Пакетный (реечный) мартенсит: образуется в низко- и среднеуглеродистых сталях (менее 0,6 % C). Состоит из параллельных реек (пакетов) толщиной 0,1—0,5 мкм. Обладает высокой прочностью при удовлетворительной пластичности и вязкости.

По тетрагональности

• Кубический мартенсит: решётка объёмноцентрированная кубическая (ОЦК), характерен для сталей с содержанием углерода менее 0,2 %.
• Тетрагональный мартенсит: решётка объёмноцентрированная тетрагональная (ОЦТ), с отношением осей c/a > 1, характерен для сталей с содержанием углерода более 0,2 %. Степень тетрагональности (c/a) линейно возрастает с увеличением содержания углерода.

По типу превращения

• Термический мартенсит: образуется при охлаждении аустенита.
• Деформационный мартенсит: образуется при пластической деформации аустенита (например, при холодной прокатке или штамповке).
• Магнитный мартенсит: образуется под действием магнитного поля (в ферромагнитных сплавах).

Свойства

Механические свойства

• Твёрдость: максимальная среди структурных составляющих стали. Для стали с 0,8 % C твёрдость мартенсита достигает 65—66 HRC (по Роквеллу). Твёрдость растёт с увеличением содержания углерода.
• Прочность: временное сопротивление разрыву (σв) может достигать 2000—2500 МПа.
• Пластичность и вязкость: крайне низкие. Мартенсит является хрупкой фазой, особенно при высоком содержании углерода. Относительное удлинение (δ) составляет доли процента.
• Ударная вязкость: минимальна, что делает закалённую сталь склонной к хрупкому разрушению.

Физические свойства

• Магнитные свойства: мартенсит в сталях является ферромагнетиком (в отличие от парамагнитного аустенита), за исключением мартенсита в некоторых аустенитных нержавеющих сталях.
• Удельный объём: мартенсит имеет больший удельный объём (на 1—4 %), чем аустенит. Это приводит к возникновению внутренних напряжений при закалке, что может вызывать коробление и растрескивание деталей.
• Электрическое сопротивление: выше, чем у феррита и перлита.

Применение

Мартенсит не используется как самостоятельная фаза в готовых изделиях из-за своей хрупкости. Однако он является ключевым промежуточным состоянием при термической обработке.

В металлургии и машиностроении

• Закалка стали: получение мартенсита — основная цель закалки для придания высокой твёрдости режущему инструменту (резцы, свёрла, фрезы), штампам, пресс-формам, деталям, работающим на износ (валы, шестерни, подшипники).
• Отпуск: после закалки сталь обязательно подвергают отпуску — нагреву до температуры ниже A1 (727 °C). В процессе отпуска мартенсит распадается, образуя более пластичные структуры (троостит, сорбит). В зависимости от температуры отпуска получают различное сочетание прочности, твёрдости и вязкости. Низкий отпуск (150—250 °C) снимает напряжения, сохраняя высокую твёрдость. Высокий отпуск (500—650 °C) даёт структуру сорбита отпуска с хорошим сочетанием прочности и вязкости (конструкционные стали).
• Мартенситно-стареющие стали: специальные высоколегированные стали, в которых мартенсит после закалки подвергают старению (нагреву до 450—550 °C), что приводит к выделению дисперсных частиц интерметаллидов и дополнительному упрочнению. Такие стали обладают сверхвысокой прочностью (до 3000 МПа) при удовлетворительной пластичности.

В других областях

• Сплавы с памятью формы: некоторые сплавы (например, нитинол — никелид титана) испытывают обратное мартенситное превращение при нагреве, восстанавливая исходную форму. Это используется в медицине (стенты, ортодонтические дуги), робототехнике, космической технике.
• Демпфирующие сплавы: мартенситное превращение может поглощать энергию колебаний, что используется для гашения вибраций.
• Геология: мартенситоподобные превращения наблюдаются в минералах (например, в клиноэнстатит-ортопироксеновом переходе) и в составе земной мантии.

Интересные факты

• Мартенсит может образовываться не только в сталях, но и в чистых металлах (например, в кобальте, титане, цирконии), а также в керамических материалах (диоксид циркония ZrO₂), где он используется для повышения трещиностойкости.
• В 2010-х годах были открыты так называемые «промежуточные» или «предмартенситные» состояния (например, модулированные структуры), которые предшествуют образованию мартенсита в некоторых сплавах.
• Мартенситное превращение является атермическим — его глубина зависит только от температуры, а не от времени выдержки. Однако в некоторых сплавах возможно изотермическое мартенситное превращение (при постоянной температуре).

Источники

1. Новиков И. И. «Теория термической обработки металлов». — М.: Металлургия, 1986.
2. Гуляев А. П. «Металловедение». — М.: Металлургия, 1986.
3. Курдюмов Г. В., Утевский Л. М., Энтин Р. И. «Превращения в железе и стали». — М.: Наука, 1977.
4. Бейн Э. «Влияние легирующих элементов на свойства стали». — М.: Металлургиздат, 1949.
5. «Энциклопедия материаловедения» / под ред. М. Б. Бевер. — М.: Мир, 1984.