Мартенсит — метастабильная фаза сплавов¶
Мартенсит — метастабильная фаза в системах железо-углерод и других сплавах, образующаяся при бездиффузионном мартенситном превращении, сопровождающемся изменением кристаллической решётки и сдвиговым механизмом. В сталях мартенсит представляет собой пересыщенную углеродом твёрдую раствору α-железа с тетрагональной решёткой, отличающейся высокой твёрдостью и хрупкостью. Явление названо в честь немецкого металлурга Адольфа Мартенса, впервые описавшего эти структуры в 1890 году.
¶Кристаллическое строение
Мартенсит в сталях имеет тетрагональную кристаллическую решётку, которая формально является искажённой решёткой α-железа (бЦК). При растворении углерода в α-железе углеродные атомы занимают междоузельные позиции преимущественно по оси c, что растягивает решётку вдоль этой оси и сжимает в плоскости ab. Отношение осей c/a зависит от содержания углерода и при 0,8 % C достигает примерно 1,02. При содержании углерода менее 0,25 % тетрагональность практически неотличима от кубической, и такой мартенсит называют低碳овым (низкоуглеродистым).
Строение мартенсита определяется механизмом его образования: превращение происходит без переноса углерода диффузией, поэтому углерод, растворённый в аустените, «замораживается» в решётке при быстром охлаждении. Это делает мартенсит термодинамически неустойчивой (метастабильной) фазой.
¶Образование и мартенситная точка
Мартенситное превращение относится к бездиффузионным: атомы железа смещаются согласованно на расстояния, меньшие межатомных, что приводит к сдвигу плоскостей кристалла. Превращение начинается при температуре, обозначаемой как Ms (начало мартенситного превращения), и завершается при Mf (конец превращения). Обе температуры зависят от химического состава стали: чем больше содержание углерода и легирующих элементов, тем ниже Ms. Для чистого железа Ms практически совпадает с температурой плавления, а для углеродистых сталей с 0,8 % C составляет около 220 °C.
Превращение происходит ступенчато: при охлаждении ниже Ms образуются новые пластиночные или игольчатые кристаллы мартенсита, причём их количество определяется не временем выдержки, а достигнутой температурой. Эта особенность отличает мартенситное превращение от диффузионных превращений, скорость которых растёт со временем при постоянной температуре.
¶Морфология
В зависимости от содержания углерода и температуры превращения различают две основные морфологические разновидности мартенсита:
- Пластиночный мартенсит — образуется в сталях с содержанием углерода свыше 0,6 % при относительно низких температурах Ms. Представляет собой пластины (твинковые структуры), расположенные пачками внутри зёрен прежней фазы.
- Игольчатый (пакетно-игольчатый) мартенсит — характерен для низко- и среднеуглеродистых сталей, формируется в виде тонких игл, ориентированных вдоль определённых кристаллографических плоскостей матрицы.
Помимо мартенсита в структуре закалённой стали обычно присутствует остаточный аустенит — часть фазы, не успевшая превратиться.
¶Свойства
Мартенсит обладает рядом характерных свойств:
- Высокая твёрдость — в углеродистых сталях может достигать 60–65 HRC, что обусловлено как пересыщением углеродом, так и значительной плотностью дислокаций;
- Хрупкость — в неотпущённом состоянии мартенсит практически не обладает пластичностью;
- Объёмное расширение — при превращении аустенита в мартенсит объём увеличивается примерно на 3–4 %, что создаёт внутренние напряжения и может вызывать коробление или образование трещин;
- Низкая электропроводность по сравнению с ферритом.
¶Отпуск мартенсита
Необходимость уменьшить хрупкость приводит к термообработке, называемой отпуском — нагреву закалённой стали ниже критических температур. В зависимости от температуры различают три стадии отпуска:
- Низкий отпуск (100–250 °C) — выделение переходных карбидов, снижение внутренних напряжений, сохранение высокой твёрдости.
- Средний отпуск (250–450 °C) — образование цементита, повышение вязкости.
- Высокий отпуск (450–650 °C) — формирование сорбит- и троостит-структуры, сочетание прочности с заметной пластичностью.
При отпуске в интервале 250–350 °C у некоторых сталей наблюдается явление отпускной хрупкости, связанное с выделением хрупких плёнок цементита по границам зёрен.
¶Применение
Мартенситная структура лежит в основе большинства конструкционных и инструментальных сталей, получаемых закалкой с последующим отпуском. Мартенситные стали с высокой износостойкостью применяются для изготовления броневых плит, бронебойных снарядов и деталей, работающих в условиях интенсивного износа. В машиностроении мартенситная структура обеспечивает высокую прочность валов, рессор, шестерён и режущего инструмента.
¶Мартенсит в других системах
Мартенситные превращения известны не только в сталях. В сплавах на основе никеля (например, нитинол) мартенситное превращение лежит в основе эффекта памяти формы. В сплавах меди с цинком (латуни) и в титановых сплавах также наблюдаются мартенситные превращения, используемые для управления свойствами материала. Термин «мартенсит» в широком смысле применяется к любой фазе, образующейся бездиффузионным сдвиговым механизмом.
¶История
Структуры, названные впоследствии мартенситом, были впервые обнаружены Адольфом Мартенсом при металлографическом исследовании закалённых сталей в конце XIX века. Теоретическое объяснение мартенситного превращения было дано в работах Георгия Курдюмова и Гюнтера и Элизабет Шаге в 1920–1930-х годах, установивших бездиффузионный сдвиговой характер превращения.
¶Источники
- Курдюмов Г. В., Утеевский Л. М., Пузырёв Н. Н. Мартенситное превращение. — М.: Металлургия, 1977.
- Гуляев А. П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1986.
- Хэнкок Дж. Мартенсит в сталях // Металловедение и термическая обработка металлов.