Мартенситные стали

Мартенситные стали — это группа высокопрочных сталей, структура которых после термической обработки (закалки) состоит преимущественно из мартенсита — игольчатой микроструктуры, образующейся в результате бездиффузионного (сдвигового) превращения аустенита. Мартенситные стали характеризуются высокой твёрдостью (до 60–65 HRC), износостойкостью, упругостью и, в зависимости от легирования, коррозионной стойкостью. Основной недостаток — повышенная хрупкость и склонность к трещинообразованию, что требует последующего отпуска для снятия внутренних напряжений.

История

Первые упоминания о закалке стали, приводящей к образованию твёрдой структуры, относятся к античности (дамасская сталь, булат). Однако научное описание мартенсита было дано в конце XIX века. В 1890-х годах немецкий металловед Адольф Мартенс (Adolf Martens) исследовал микроструктуру закалённой стали, и впоследствии этот тип структуры был назван его именем. В 1900-х годах российский учёный Дмитрий Чернов систематизировал процессы термической обработки, включая критические точки фазовых превращений, что позволило целенаправленно получать мартенситную структуру.

В 1910–1920-х годах были разработаны первые легированные мартенситные стали (например, быстрорежущие стали с добавками вольфрама и хрома). В 1930-х годах в СССР и Германии началось промышленное производство нержавеющих мартенситных сталей (типа 20Х13, 40Х13). В середине XX века с развитием авиационной и ракетной техники потребовались стали с высокой прочностью и вязкостью, что привело к созданию мартенситно-стареющих сталей (например, марок 03Н18К9М5Т, 04Х11Н9М2Д2ТЮ).

Классификация

Мартенситные стали классифицируют по нескольким признакам:

По химическому составу

• Углеродистые мартенситные стали (например, У8, У10) — содержат 0,6–1,2 % углерода, после закалки достигают высокой твёрдости, но имеют низкую коррозионную стойкость и вязкость. Применяются для режущего и измерительного инструмента.
• Легированные мартенситные стали — содержат добавки хрома, никеля, молибдена, ванадия, вольфрама. Делятся на:
• Нержавеющие мартенситные стали (например, 20Х13, 30Х13, 40Х13, 95Х18) — содержат 12–18 % хрома, обеспечивающего коррозионную стойкость в атмосферных условиях и слабоагрессивных средах. После закалки и низкого отпуска имеют твёрдость 48–58 HRC.
• Инструментальные легированные стали (например, ХВГ, Х12МФ) — содержат хром, вольфрам, молибден для повышения износостойкости и теплостойкости.
• Мартенситно-стареющие стали (например, 03Н18К9М5Т, 04Х11Н9М2Д2ТЮ) — содержат никель (до 18 %), кобальт, молибден, титан. После закалки образуют мартенсит с низкой твёрдостью (30–35 HRC), а затем при старении (480–520 °C) выделяются интерметаллидные фазы, повышающие твёрдость до 50–55 HRC при высокой пластичности.

По назначению

• Конструкционные мартенситные стали — для деталей машин, работающих при высоких нагрузках (валы, пружины, оси).
• Инструментальные мартенситные стали — для режущего, штампового, измерительного инструмента.
• Нержавеющие мартенситные стали — для изделий, требующих сочетания прочности и коррозионной стойкости (хирургические инструменты, лопатки турбин, детали насосов).

Термическая обработка

Формирование мартенситной структуры достигается путём закалки — нагрева стали выше температуры аустенизации (обычно 800–1050 °C) и последующего быстрого охлаждения (в воде, масле или на воздухе в зависимости от состава). Скорость охлаждения должна превышать критическую скорость закалки, чтобы подавить диффузионные превращения (перлитное и бейнитное).

После закалки мартенсит имеет высокую твёрдость, но также высокую хрупкость и внутренние напряжения. Для снижения хрупкости и повышения вязкости проводят отпуск — нагрев до 150–600 °C с выдержкой и последующим медленным охлаждением. Различают:

• Низкий отпуск (150–250 °C) — сохраняет высокую твёрдость (58–62 HRC), применяется для режущего инструмента.
• Средний отпуск (350–450 °C) — даёт твёрдость 45–50 HRC, используется для пружин и штампов.
• Высокий отпуск (500–650 °C) — снижает твёрдость до 30–40 HRC, но значительно повышает вязкость; применяется для конструкционных деталей.

Для мартенситно-стареющих сталей после закалки проводят старение при 480–520 °C, что вызывает дисперсионное упрочнение.

Свойства

Основные физико-механические свойства мартенситных сталей:

• Твёрдость: 45–65 HRC в зависимости от содержания углерода и легирующих элементов.
• Прочность: временное сопротивление разрыву (σв) достигает 1500–2500 МПа для высокоуглеродистых и мартенситно-стареющих сталей.
• Пластичность: относительное удлинение (δ) обычно 5–15 %, для мартенситно-стареющих сталей — до 20 %.
• Ударная вязкость: 10–50 Дж/см², зависит от температуры отпуска; после низкого отпуска может быть менее 10 Дж/см².
• Коррозионная стойкость: нержавеющие мартенситные стали устойчивы в атмосферных условиях, но уступают аустенитным нержавеющим сталям в агрессивных средах (например, в кислотах).
• Магнитные свойства: мартенсит ферромагнитен, поэтому мартенситные стали обладают магнитной проницаемостью (в отличие от аустенитных нержавеющих сталей).

Применение

Мартенситные стали широко используются в различных отраслях промышленности:

• Машиностроение: валы, шестерни, оси, пружины, рессоры, детали гидравлических систем, работающие при высоких статических и динамических нагрузках.
• Инструментальная промышленность: режущий инструмент (фрезы, свёрла, метчики), штампы для холодной и горячей штамповки, измерительный инструмент (калибры, скобы).
• Медицина: хирургические инструменты (скальпели, зажимы, иглодержатели) из нержавеющих мартенситных сталей (например, 40Х13, 95Х18), которые сочетают остроту, прочность и коррозионную стойкость.
• Авиационная и космическая техника: детали шасси, лопатки компрессоров, крепёжные элементы, работающие при высоких температурах (до 400–500 °C) — применяются мартенситно-стареющие стали.
• Энергетика: лопатки паровых и газовых турбин, детали насосов и арматуры, работающие в условиях коррозии и эрозии.
• Оборонная промышленность: стволы стрелкового оружия, бронеэлементы, корпуса боеприпасов.

Примеры марок

В России и странах СНГ распространены следующие марки мартенситных сталей (по ГОСТ):

• 20Х13 (нержавеющая, 0,2 % C, 13 % Cr) — для деталей с повышенной пластичностью (лопатки турбин, клапаны).
• 40Х13 (нержавеющая, 0,4 % C, 13 % Cr) — для хирургических инструментов, режущего инструмента.
• 95Х18 (нержавеющая, 0,95 % C, 18 % Cr) — для ножей, подшипников, штампов.
• ХВГ (инструментальная, 1,0 % C, 1,0 % Cr, 1,0 % W) — для штампов и калибров.
• 03Н18К9М5Т (мартенситно-стареющая, 0,03 % C, 18 % Ni, 9 % Co, 5 % Mo, Ti) — для высоконагруженных деталей в авиации.

Критика и ограничения

Основные недостатки мартенситных сталей:

• Высокая хрупкость после закалки, требующая обязательного отпуска.
• Склонность к трещинообразованию при неправильной термообработке (например, слишком быстром охлаждении).
• Ограниченная свариваемость — мартенситные стали склонны к образованию холодных трещин в зоне термического влияния; требуют предварительного подогрева и последующей термообработки.
• Снижение коррозионной стойкости при повышении содержания углерода (выше 0,3 % C) — нержавеющие мартенситные стали уступают аустенитным в кислотостойкости.
• Высокая стоимость легированных и мартенситно-стареющих сталей из-за содержания никеля, кобальта, молибдена.

Источники

• ГОСТ 5632-2014 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки».
• ГОСТ 5950-2000 «Прутки, полосы и мотки из инструментальной легированной стали. Технические условия».
• Марочник сталей и сплавов / Под ред. В. Г. Сорокина. — М.: Машиностроение, 1989.
• Металловедение и термическая обработка стали: Справочник / Под ред. М. Л. Бернштейна, А. Г. Рахштадта. — М.: Металлургия, 1983.
• Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. — М.: Металлургия, 1986.