Мартенсит и мартенситное превращение: что это такое, мартенситная сталь

Мартенситные стали представляют собой хромистые сплавы, структура которых состоит в основном из мартенсита. В них содержится обычно не менее 0,15 процентов углерода, от 11 до 17 процентов хрома, а также незначительное количество таких элементов, как никель, вольфрам, ванадий и молибден.

Под мартенситом понимают игольчатую микроструктуру, которая фиксируется в отдельных чистых металлах, имеющих склонность к полиморфизму, и металлических сплавах, прошедших процедуру закалки.

По сути, мартенсит – это базовый структурный компонент стали после закалки, который является твердым пересыщенным упорядоченным раствором углерода в α-железе.

Кристаллическая решетка интересующего нас углеродного раствора в α-железе является тетрагональной. Каждая из ее элементарных составляющих описывается формой параллелепипеда (прямоугольного).

В центре и вершинах ячейки при этом размещаются атомы железа, а в объемах ячеек расположены атомы углерода.

Высокие прочностные показатели и твердость, коими описывается любая мартенситная нержавеющая сталь, обуславливаются неравновесной структурой мартенсита, характеризуемой существенными внутренними напряжениями.

При нагреве мартенситного металла отмечается перераспределение (диффузионное) атомов углерода, что приводит к формированию двух фаз:

• цементита (в этой фазе углерод содержится в количестве 6,67 %);
• феррита (содержание углерода в ней – не более 0,02 %).

Элементарная ячейка первой из означенных фаз описывается ромбической структурой, вторая – объемно-центрированной. Решетка начальной структуры аустенита связана кристаллографическими постоянными соотношениями с решеткой мартенсита. Это означает, что плоскости с четко заданными кристаллографическими индексами аустенитной и мартенситной структуры параллельны друг другу.

Принято выделять два типа мартенсита:

1. Дислокационный (нередко его называют реечным). Он формируется в средне- и малоуглеродистых, а также высоколегированных сталях. В них мартенситное преобразование начинается при температуре более 300 °С. Кристаллы мартенсита в такой ситуации вытянуты в одну сторону, представляя собой рейки толщиной от 0,2 до 2 мкм. Такие рейки разделяются тонкими (от 10 до 20 нм) слоями аустенита.
2. Двойниковый (или пластинчатый). Данный тип характерен для легированных и углеродистых сталей (преобразование мартенсита в них возможно при температуре менее 200°). Пластины интересующей нас игольчатой микроструктуры описываются мидрибом – средней линией высокой травимости. Каждый мидриб при этом включает в себя множество двойников по плоскостям.

Такой полиморфный процесс предполагает то, что упорядоченное передвижение молекул либо атомов в составе кристалла вызывает модификацию их расположения по отношению друг к другу. Причем междуатомные расстояния в данном случае существенно больше, нежели показатели смещений относительного плана соседних атомов.

Деформации ячеек кристаллической решетки – это и есть ее перестройка, за счет чего окончание мартенситного преобразования вполне допускается описывать как однородно измененную начальную фазу.

Отметим отдельно и то, что деформация имеет малую величину (не более 10 %).

По этой причине энергетический барьер, который не дает развиваться однородному переходу начальной фазы в конечную, также невелик, если соотносить его с энергией связи в кристалле.

Описываемое нами превращение становится возможным только в том случае, когда постоянно присутствует упорядоченное взаимодействие между метастабильной и стабильной фазой. Повышенная подвижность и низкий энергетический потенциал межфазных границ обусловлены их упорядоченным строением.

Следствием этого становится то, что требуемая для появления кристаллов в новой фазе «лишняя» энергия, имеет малое значение.

Ее вполне можно сопоставить с энергией «исходных» дефектов, имеющихся в начальной фазе.

За счет такой особенности скорость образования мартенситных кристаллов является по-настоящему большой, причем, как правило, тепловых изменений для зарождения новых кристаллов не требуется.

Мартенситные преобразования в комбинации с модификациями атомного порядка компонентов и их перераспределения являются базой для разнообразных структурных превращений, которые дают возможность изменять характеристики кристаллических материалов посредством их механической либо термической обработки.

Такие хромистые стали имеют в своем составе достаточно высокое содержание углерода. Кроме того, зачастую они легируются молибденом, ниобием, вольфрамом и иными компонентами, которые обеспечивают высокие жаропрочные показатели конечного металла.

Особенности сталей, относимых к мартенситному классу:

• высокий уровень противодействия коррозии в растворах щелочей, некоторых кислотных растворах, в условиях повышенной влажности;
• высокая жаропрочность: данную полезную способность мартенситный металл получает в том случае, когда выполняется его закалка при температурах около 1050 градусов, а затем и отпуск на троостит либо сорбит;
• способность к самозакаливанию;
• малая пластичность при высоком показателе твердости, на которую не оказывают никакого влияния, дополнительно вводимые в сплав легирующие элементы;
• высокая водородоустойчивость, свойственная таким маркам стали, как Х5ВФ, Х5М, Х9М;
• сложность обработки мартенситного металла резанием.

Популярные марки мартенситных стальных сплавов:

• 20Х13: в нем содержится от 12 до 14 % хрома, менее 0,8 % марганца и кремния, от 0,16 до 0,25 % углерода, такая сталь не легируется никелем;
• 10Х12НДЛ: особенность – большое содержание никеля (от 1 до 1,5 %);
• 18Х11МНФБ: не более 11,5 % хрома, от 0,5 до 1 % никеля, до 0,21 % углерода, от 0,8 до 1,1 % молибдена;
• 12Х11В2МФ, 10Х9МФБ, 13Х11Н2В2МФ, 15Х11МФ: легируются ванадием (от 0,18 до 0,4 %) и молибденом (от 0,35 до 1,1 %) в дополнение к стандартным добавкам.

Используются описываемые стали для производства:

• роторов и корпусов газовых и паровых турбин;
• сварных аппаратов и сосудов с нагрузками не более 16Мпа;
• диафрагм турбин (паровых);
• составляющих насосного оборудования;
• лопаток турбин, работающих на пару;
• пружин;
• подвергающихся нагреву поверхностей коллекторов, котлов, трубопроводов;
• хирургического, измерительно и режущего инструмента;
• пластин компрессоров с клапанами.

Технология сварки сталей описываемого класса достаточно сложна, что вызвано склонностью таких металлов после процедуры закалки к хрупкому разрушению.

Их следует сваривать после предварительного нагрева до 200–450 °С, причем температура окружающего воздуха должна быть плюсовой.

Как правило, металлы мартенситной группы свариваются методом ручной дуговой сварки с применением электродов, покрытых спецсоставами. Реже используются другие виды сварки:

• электрошлаковая;
• аргонодуговая;
• под флюсом.

Источник: http://tutmet.ru/martensitnaja-nerzhavejushhaja-stal-prevrashhenie.html

Мартенсит и мартенситные трансформации в полиморфных материалах

В 1902 году структуру кристаллов стали, полученную после закалки, назвали «мартенсит» в честь немецкого металлографа Адольфа Мартенса (1850 – 1914). Она имела специфический иглообразный вид.

В результате нагревания углеродистой стали до состояния аустенита и последующего быстрого охлаждения, в кристаллической решетке углеродистой стали совершаются структурные изменения: кубическая решетка аустенита превращается в тетрагональную. Это происходит потому, что углерод не успевает выделиться из аустенита и задерживается в структуре феррита, искажая ее форму.

Легирующие элементы, растворенные в аустените, производят сходственный эффект. Вновь образованная фаза имеет игольчатую или пластинчатую структуру и называется мартенситом, а процесс перестройки кристаллической решетки мартенситным превращением. Для мартенситных структур характерны прочность и твердость.

Мартенситное превращение изучалось при термообработке стали, и вначале этот термин использовался для процесса образования мартенсита в стали, но затем было установлено, что аналогичные превращения можно распространить и на другие полиморфные материалы.

Мартенситные превращения в сталях

Теория получения мартенситных сталей

Во время закалки углеродистой стали, содержащей более 0, 25 – 0,3% углерода, наблюдается резкое изменение ее свойств. Сталь получает структуру мартенсита. При определенной температуре нагревания и последующем охлаждении из аустенитных зерен образуются кристаллы мартенсита.

В основе полиморфного мартенситного превращения лежит бездиффузный механизм превращения гамма-железа аустенита с гранецентрированной кубической решеткой кристаллов (ГЦК) аустенита в альфа-железо с объемно центрированной решеткой (ОЦК) мартенсита.

Процесс перекристаллизации происходит с высокими почти дозвуковыми скоростями, благодаря когерентной связи растущих кристаллов мартенсита с исходными кристаллами аустенита. Чем больше структурное и размерное соответствие, тем тоньше иглы мартенсита.

Мартенситная структура представляет собой пересыщенный раствор углерода в альфа-железе, его кристаллы имеют форму призмы.

От концентрации углерода и легирующих элементов зависит увеличение длины призмы и уменьшение ее основания, и соответственно повышение прочности и твердости мартенситной стали.

Вследствие большой упругости и малой подвижности атомов мартенситное превращение происходит путем кооперативного координированного смещения атомов на расстояния меньше межатомных. Вновь образованная мартенситная фаза является неравновесной системой.

Благодаря пластинчатой (игольчатой) форме кристаллов и пластической деформации (фазовому наклепу), происходящему по мере увеличения несоответствия в положении атомов и нарушения когерентности, мартенситные структуры обладают более высокой прочностью, твердостью и меньшей пластичностью по сравнению с исходными кристаллами аустенитной структуры. Существуют гипотезы о волновой природе процесса пластической деформации.

Свойства мартенсита

Характерные для мартенсита твердость и прочность мартенсита обусловлены:

• Искажением кристаллической решетки от внедрения углерода или легирующих элементов.
• Дроблением субзерен, или блочной структуры.
• Увеличением плотности дислокации.

4 типа мартенситных кристаллов стали

• Тонкопластинчатый.
• Бабочкообразный.
• Пластинчатый (линзовидный, двойниковый).
• Пакетный (массивный, реечный, недвойникоый).

Пакетный тип мартенсита (пластины образуют пакет). Пакетное строение у сталей марок 10Х2Г3М, 12Х2Н4, 40ХН, 37ХН3, 30ХГС, 45ХНМФА.

В некоторых высоколегированных сталях образуется тонкопластинчатый мартенсит.

Бабочкообразный тип в своей структуре имеет сочленения пластин двух пластин, похожие на бабочку. Распространен у легированных сталей.

Пакетный тип характеризуется пакетами, образованными из блоков пластин. Пакетное строение у сталей марок 12Х2Н4, 37ХН3, 30ХГС.

Мартенситные точки

Основной характеристикой сплавов при определенном режиме закалке является мартенситные точки.

Температура начала мартенситных превращений обозначается Мн. При достижении температуры охлаждения стали значений Мн начинается мгновенный лавинообразный процесс перекристаллизации стали. Температура Мн определяется для каждой марки стали экспериментальным путем на металлургических предприятиях. Значение Мн снижается от увеличения количества углерода и легирующих элементов в составе стали.

Температура конца мартенситных превращений обозначается Мк. В промежутке значений температур между Мн и Мк происходит бездиффузная перестройка кристаллической решетки стали. При достижении температуры Мк бездиффузная перекристаллизация прекращается. Для высокоуглеродистых легированных сталей она может быть отрицательной.

Практика термической обработки сталей на мартенсит

На крупносерийных и массовых производствах для закалки стальных изделий используют автоматические конвейерные линии, на которых производится полный цикл получения необходимой мартенситной структуры для определенных марок стали.

В инструментальных цехах и на опытных производствах инструмент и детали закаляют вручную путем нагрева инструмента в муфельных печах, в ваннах с маслами, солями или расплавленными металлами. Охлаждение производится в разных средах: воде, масле, воздухе. Параметры температур и процесса закалки разрабатывает технолог согласно техническим нормам и марочникам стали.

Поверхностный нагрев осуществляют в тех случаях, когда нужно повысить прочность наружных слоев изделий при сохранении мягкой сердцевины. Поверхностная закалка производится в генераторах высокой частоты.

В зависимости от требуемой температуры нагрева применяют различные соли или смеси солей; так при высокотемпературных нагревах (1000-1300 градусов), используют расплавленный хлористый барий, при нагревах до 750-950 градусов используют смеси солей хлористого бария, хлористого калия и хлористого натрия. При низкотемпературных нагревах 300-550 градусов используют смеси калиевой и натриевой селитр.

В качестве охлаждающих сред при закалке на мартенсит чаще всего применяют жидкие среды различной охлаждающей способности. Обычно используют воду, а скорость отвода теплоты увеличивают добавлением едкого натра. К более мягким охладителям относятся масла – минеральные и трансформаторные.

Виды закалки на мартенсит

• Непрерывная, или закалка в одной среде.
• Закалка в двух средах.
• Ступенчатая закалка.
• Обработка холодом.

После нагревания стального изделия до температуры аустенитной фракции, его резко охлаждают либо в воде (самый простой вариант), либо в подогретых маслах, либо на воздухе в зависимости от состава стали.

При таком способе охлаждения появляются коробления, а иногда и трещины.

Во избежание рисков используют закалку в двух средах. После нагрева изделие погружают в воду, некоторое время выдерживается, и затем дальнейшее охлаждение до температуры до Мк происходит в более мягкой среде. Этот способ походит для серийных производств.

К охлаждению в холоде (жидком азоте) обычно прибегают в случаях, когда Мк для марки стали оказывается ниже нуля. Это высоколегированные углеродистые марки, используемые для изготовления мерительного инструмента и элементов подшипников качения.

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.

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.

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.

Итог

Фундаментальные исследования мартенситных превращений, начатые советским ученым Г. В. Курдюмовым, который впервые предложил теорию бездиффузного мартенситного превращения, продолжаются более 60 лет.

Технологии на основе «необычных физико-механических свойств» мартенситных материалов могут быть особенно востребованы в самых передовых отраслях промышленности.

В оборонной, в авиа-космической, в точном приборостроении, в электронике, в нанопроизводствах, в медицине и даже косметологии.

Источник: https://martensit.ru/stal/martensit/

Разница между аустенитной и мартенситной нержавеющей сталью

Ключевое различие между аустенитной и мартенситной нержавеющей сталью заключается в том, что кристаллическая структура аустенитной нержавеющей стали представляет собой гранецентрированную кубическую структуру, тогда как кристаллическая структура мартенситной нержавеющей стали представляет собой объемно-центрированную кубическую структуру.

Существует четыре основных группы нержавеющей стали в зависимости от кристаллической структуры стали: аустенитная, ферритная, мартенситная и двухфазная. Микроструктура этих сплавов зависит от присутствующих в них легирующих элементов. Таким образом, эти сплавы также имеют различные легирующие элементы.

Содержание

1. Обзор и основные отличия
2. Что такое Аустенитная нержавеющая сталь
3. Что такое Мартенситная нержавеющая сталь
4. В чем разница между аустенитной и мартенситной нержавеющей сталью
5. Заключение

Что такое аустенитная нержавеющая сталь?

Аустенитная нержавеющая сталь — это форма сплава нержавеющей стали, которая обладает исключительной коррозионной стойкостью и впечатляющими механическими свойствами.

 Первичная кристаллическая структура этого сплава представляет собой гранецентрированную кубическую структуру, в которой содержится «аустенит» (металлический и немагнитный аллотроп железа или твердый раствор железа с легирующим элементом).

Структура аустенитной нержавеющей стали

Кроме того, этот материал имеет лучшую прочность, ударную вязкость, формуемость и пластичность. Аустенитная нержавеющая сталь применяется в криогенных (низких) и высокотемпературных устройствах.

Эта сталь имеет гранецентрированную кубическую структуру, в которой есть один атом в каждом углу куба, и есть один атом в каждой грани (в центре грани). Аустенитная структура образуется, когда достаточное количество никеля смешивается с железом и хромом.

Обычно этот материал содержит около 15% хрома и от 8 до 10% никеля.

Что такое мартенситная нержавеющая сталь?

Мартенситная нержавеющая сталь — это сплав, который содержит больше хрома и обычно не содержит никеля. И этот материал может быть или высокоуглеродистой или низкоуглеродистой сталью. Кроме того, он содержит 12% железа, 17% хрома и 0,10% углерода. Примечательными свойствами этого материала являются высокие механические свойства и износостойкость.

Пинцет из мартенситной нержавеющей стали

Кристаллическая структура мартенситной нержавеющей стали представляет собой объемно-центрированную кубическую структуру. Здесь каждый угол куба содержит атомы, и в центре куба есть один атом. В составе этой стали никель отсутствует. Кроме того, этот материал является ферромагнитным, отверждаемым при термообработке, меньшей коррозионной стойкостью и т.д.

Структура мартенситной нержавеющей стали

В чем разница между аустенитной и мартенситной нержавеющей сталью?

Аустенитная нержавеющая сталь — это форма сплава нержавеющей стали, которая обладает исключительной коррозионной стойкостью и впечатляющими механическими свойствами, в то время как мартенситные нержавеющие стали — это сплав, в котором больше хрома и обычно в нем нет никеля.

Ключевое различие между аустенитной и мартенситной нержавеющей сталью состоит в том, что кристаллическая структура аустенитной нержавеющей стали представляет собой гранецентрированную кубическую структуру, тогда как для мартенситной нержавеющей стали это объемно-центрированная кубическая структура.

Кроме того, еще одно различие между аустенитной и мартенситной нержавеющей сталью состоит в том, что аустенитная нержавеющая сталь содержит никель, а мартенситная нержавеющая сталь — нет. Содержание никеля в аустенитной нержавеющая стали составляет от 8 до 10%. Кроме того, аустенитная нержавеющая сталь является диамагнитной, а мартенситная форма — ферромагнитной.

Аустенитная нержавеющая сталь — это тип сплава нержавеющей стали, которая обладает исключительной коррозионной стойкостью и впечатляющими механическими свойствами, в то время как мартенситные нержавеющие стали — это сплав, в котором больше хрома и обычно в нем нет никеля.

Ключевое различие между аустенитной и мартенситной нержавеющей сталью состоит в том, что кристаллическая структура аустенитной нержавеющей стали является гранецентрированной кубической структурой, тогда как кристаллическая структура мартенситной нержавеющей стали является объемно-центрированной кубической структурой.

  Разница между Промышленной химией и Химической инженерией

Источник: https://raznisa.ru/raznica-mezhdu-austenitnoj-i-martensitnoj-nerzhavejushhej-stalju/

Мартенситное превращение в стали

Мартенситное превращение (и не только в стали) происходит при быстром охлаждении высокотемпературной фазы. Такой процесс часто называется закалкой, хотя для различных металлов и их сплавов термин «закалка» может иметь совершенно различный смысл, как, например, «закалка стали» и «закалка алюминиевого сплава».

К наиболее важным характеристикам мартенситного превращения в стали, которые отличают его от других типов превращений, в частности, от перлитного превращения, относятся следующие.

 Мартенситное превращение – бездиффузионное

Мартенситное превращение реализуется при быстром охлаждении стали от температуры выше А1, например, в воде.

В этом случае диффузионный распад аустенита в смесь двух фаз – феррита и  цементита – полностью подавляется. Концентрация углерода в мартенсите та же, что и в аустените.

Основное отличие между мартенситным и перлитным превращениями в том, что первое является совершенно бездиффузионным.   

Температурный интервал превращение – один и тот же

Превращение аустенита в мартенсит начинается при начальной температуре мартенситного превращения Mн.

Температура начала перлитного превращения снижается с увеличением скорости охлаждения, а температура начала мартенситного превращения почти не зависит от скорости охлаждения.

Мартенсит образуется в некотором температурном интервале – всегда в одном и том же при заданном составе сплава, например, содержании углерода  

Нет охлаждения – нет превращения

При остановке охлаждения при температуре внутри интервала Mн – Мк мартенситное превращение также останавливается. Это свойство кардинально отличает мартенситное превращение от перлитного.

Перлитное превращение продолжается до конца при постоянной температуре ниже точки А1. Конечным результатом перлитного превращения является полное исчезновение аустенита.

При мартенситном превращении всегда остается определенное количество остаточного аустенита.

Нет инкубационного периода

В отличие от перлитного превращения у мартенситного превращения отсутствует инкубационный период. При охлаждении ниже температуры Mн определенное количество мартенсита образуется мгновенно.

Нет роста – сразу «взрослый» мартенсит

При охлаждении ниже температуры Mн количество мартенсита увеличивается очень быстро за счет быстрого образования новых пластин. Мгновенно образовавшиеся пластины уже больше не растут. Это свойство отличает мартенсит от перелита. В ходе перлитного превращения постоянно зарождаются новые колонии, а старые колонии продолжают расти.

Мартенсит помнит аустенит

Мартенситные пластины упорядоченно ориентированы по отношению к аустенитной решетке. При перлитном превращении решетки фаз, которые входят в эвтектоидную смесь имеют случайную ориентацию по отношению к исходной аустенитной решетке.

Кристаллическая решетка мартенсита

Кристаллическая решетка мартенсита – не кубическая, а тетрагональная.

Больше углерода – ниже температура начала мартенситного превращения

Для данной стали мартенситное превращения начинается всегда при одной и той же температуре независимо от скорости охлаждения.

Величина этой температуры зависит  от состава   сплава и резко снижается при увеличении в стали содержания углерода (см. рисунок). Часть углерода входит в карбиды, которые сосуществуют  с аустенитом.

Если температура закалки повышается, то часть карбидов растворяется в аустените и, следовательно, содержание углерода в аустените увеличивается и точка Mн понижается.

Рисунок – Влияние содержания углерода в стали
на температуру начала и конца мартенситного превращения

Мартенситное превращение – сдвиговое фазовое 

Формирование мартенсита характеризуется сдвиговым механизмом перестройки аустенитной решетки. Мартенситный (сдвиговый) механизм фазового превращения отличается упорядоченным взаимосвязанным движением атомов на расстояния, которые короче межатомных расстояний, то есть атомы не меняются местами.    

Источник: https://steel-guide.ru/termicheskaya-obrabotka-stali/martensitnoe-prevrashhenie-v-stali.html

Мартенсит и мартенситные стали

Как фазовая структура мартенсит был обнаружен в начале 20 века. Исследование проводил инженер Адольф Мартенс, который занимался проблемой повышения усталостной прочности металлов. Обнаруженная структура отличалась повышенной износостойкостью и позволила производить детали, выдерживающие более высокие механические и температурные нагрузки.

Общие сведения о мартенсите

Структура на основе перенасыщенного твердого раствора углерода в железе называется мартенсит. Получается он методом переохлаждения аустенитной фазы. Другими словами, мартенсит – результат проведения закаливания сталей с содержанием углерода выше 0,3%. Кристаллы мартенсита имеют тетрагональную структуру, где атомы железа занимают место в узлах решетки.

На вид мартенсит представляет собой множественные темные иглы железа на светлом фоне. Угол наклона данных игл в среднем составляет 60 градусов относительно друг друга. Обнаружить следы углерода на поверхности мартенсита невозможно, т. к. он полностью находится в растворенном состоянии.

Согласно исследованиям, проводимым в 30-х годах прошлого столетия советскими учеными, причины высоких механических характеристик мартенсита кроются в следующем:

• Структура мартенсита имеет блочный характер, при том что сами блоки обладают достаточно малыми размерами.
• Сопротивление статическим искажениям, что означает устойчивость положения атомов при их смещении от идеального размещения атомов в кристаллической решетке.
• В случае воздействия механических нагрузок, и как следствие пластической деформации, выделяются мельчайшие твердые частицы, блокирующие скольжение слоев относительно друг друга и повышающие твердость сплава.

Твердость мартенсита имеет валатильный характер и зависит от температуры нагрева, охлаждения и времени выдержки стали. В среднем ее значение колеблется в пределах 35 — 70 единиц по шкале Роквелла. Также мартенсит выделяется большим удельным объемом. Его значение выше по сравнению с другими фазовыми структурами такими как аустенит, перлит и т. д.

Как следствие от всего вышесказанного, образование мартенсита сопровождается значительными изменениями стали в объеме. Это, в свою очередь, приводит к нежелательному повышению внутренней напряженности в структуре, которая в будущем может стать причиной появления трещин.

Мартенситное превращение

Мартенсит образуется только в среде аустенита. Причиной, по которой происходит данная трансформация, является наличие большого количества свободной энергии аустенитом. Катализатором процесса превращения служит температура, которая в зависимости от химического состава стали должна находиться на уровне 500-700 ºC.

Также доказано, что мартенситное превращение тесно связано с центрами кристаллизации, которые образуются при повышении температуры. Они стимулируют рост кристаллов, уплотняя атомы и увеличивая, соответственно, прочностные свойства стали. Данный процесс не требует большого количества энергии и активируется при достаточно низкой температуре.

Рост кристаллов происходит до тех пор, пока какой-либо из атомарных слоев входит как в мартенситную, так и в аустенитную кристаллическую решетку. Причем между данными структурами не должно быть разделительной поверхности.

В противном случае образуется сдвиг одной фазы относительно другой, что вызывает появление значительного количества напряжения на их границе. Напряженность провоцирует появление упругих деформаций, как следствие кристаллы (иглы) останавливают свой рост.

При трансформации аустенита в мартенсит не происходит образование новых химических соединений. Этот процесс структурный. Атомы меняют свое местоположение, что влияет на тип и размеры кристаллической решетки.

Мартенситное превращение требует наличия постоянного переохлаждения. Также стоит заметить, что увеличение объема структуры происходит не за счет роста отдельных игл, а по причине образования новых, меньших с точки зрения размеров кристаллов, мартенсита.

Трансформация аустенита в мартенсит относится к одним из базовых структурных изменений не только у сталей, но и у сплавов на основе титана и меди.

Виды мартенсита

В зависимости от степени нагрева и температуры охлаждаемой среды получают различные типы мартенсита. Существуют следующие его основные виды:

• Пластинчатый мартенсит
• Реечный мартенсит.

Каждый из них имеет свои особенности и соответственно механические свойства.

Пластинчатый мартенсит наблюдается в основном в высокоуглеродистых конструкционных сталях. Он образуется в результате закалки и характеризуется наличием мартенситом формы в виде пластин. Предел прочности на разрыв такого мартенсита может доходить до 900 Мпа. Твердость до 75 HRC.

Реечный мартенсит получается в результате улучшения (закалка с высоким отпуском) легированных сталей. Структура данного типа имеет форму реек размером до 2 мкм. Такой вид мартенсита отличается большей износостойкостью и лучшей динамической вязкостью.

При соблюдении определенного режима температур структура стали может содержать мартенсит как реечного, так и пластинчатого типа.

Мартенситные стали

К сталям мартенситного типа относят высоколегированные стали, структура которых после проведения термической обработки представлена мартенситом.

Сам по себе мартенситный сплав плохо поддается резанию. Его обрабатываемость повышают путем проведения предварительного отжига при температуре 800-900 ºC.

Как правило, мартенситные стали легируются такими металлами как вольфрам, никель и молибден для повышения жаропрочности и коррозионной устойчивости сплава к агрессивному воздействию среды.

Также мартенситная сталь обладает таким полезным свойством как самозакаливание, т. е. самопроизвольное повышение твердости после проведения термической обработки.

Стали мартенситного класса относятся к 3 группе свариваемости. Проведение сварки требует предварительного нагрева до 200-300 ºC и последующего отжига детали. Все это необходимо для снижения внутреннего напряжения и уменьшения вероятности образования трещин на поверхности сварного шва. На практике данные стали свариваются методом аргонодуговой и электрошлаковой сварки.

Механические свойства сталей на основе мартенсита достаточно высокие. Так, марка 15Х5, применяемая при изготовлении сосудов высокого давления, имеет предел прочности на разрыв равным почти 400 Мпа.

Дополнительное легирование вольфрамом и ванадием сильно повышает жаропрочность сплава. Предел прочности стали 10ХМФБ составляет уже 600 Мпа. Сталь нашла применение в производстве коллекторов, трубопроводов и нагревательных котлов.

Такие марки применяются в производстве деталей, испытывающих повышенную тепловую и механическую нагрузку.

Например, в корпусе и роторе газовой и паровой турбины, а также в качестве материала для лопаток турбовинтовых компрессоров.

Стали мартенситного класса достаточно упруги и хорошо сопротивляются ударным нагрузкам. Ударная вязкость колеблется в пределах 80-150 Джсм2. Ее значение в большей степени зависит от типа термической обработки и содержания тех или иных элементов. Наибольшее ее значение получается в результате проведения закалки с последующим высоким отпуском.

Мартенситные стали не отличаются высоким значением пластичности. Относительное удельное сжатие равно 14-24%. Данный параметр зависит в большей степени от количества углерода в составе стали. Также такие элементы как никель и медь оказывают отрицательное влияние на пластичность сплава.

Источник: https://prompriem.ru/stati/martensit.html

Мартенситное превращение (стр. 1 из 2)

Введение

Для того, чтобы наиболее полно разобраться в том, что же такое мартенситное превращение, думаю, нам следует начать с определения, что же такое мартенсит, даваемого повсеместно в словарях и энциклопедиях.

Мартенсит — микроструктура игольчатого вида, наблюдаемая в закалённых металлических сплавах и в некоторых чистых металлах, которым свойствен полиморфизм.

Назван в честь немецкого металловеда, одного из основоположников исследований по усталости материалов, Марка Адольфа Мартенса (А. Martens; 1850—1914гг.).

Мартенситное превращение, наиболее интересная стадия превращения аустенита в сталях.

Физический механизм образования мартенсита принципиально отличается от механизма других процессов, происходящих в стали при нагреве и охлаждении. До тех пор пока, ученые не смогли наиболее глубоко изучить и описать этот процесс, существовало много различных не уясненных, непонятных и не объяснимых на тот момент процессов происходящих при превращении А→М.

1. Диаграмма изотермических превращений аустенита

С целью уяснения процессов происходящих в сталях, и влияние различных температур на аустенит и на строение и свойства получающихся при его распаде продуктов рассмотрим диаграмму его изотермических превращений, т.е. таких превращений, которые происходят при постоянных температурах, лежащих ниже точки A1.

Диаграмма изотермических превращений аустенита эвтектоидной стали (0,8% С) имеет простой вид (рис. 1). Диаграмма представлена двумя кривыми (их принято называть С-кривыми). Она составлена в координатах время — температура изотермической выдержки. Время откладывается в логарифмической шкале (для укорочения последней, так как отсчет ведется в секундах).

Рис.1. Диаграмма изотермических превращений аустенита(0.8% С).

Собственно диаграмма заключена между двумя критическими изотермами, из которых изотерма A1 соответствует равновесному превращению аустенит—перлит, а изотерма Mн – началу интересующего нас мартенситного превращения.

В различных областях диаграммы происходят различные процессы.

Например: В верхней части выше выступов С-кривых образуется наиболее крупнопластинчатая, грубодисперсная смесь Феррит + Цементит. Всю область выше выступов принято называть сокращенно ПСТ (Перлит – Сорбит — Тростит).

Распад аустенита в области температур ниже выступа происходят при явно недостаточной скорости диффузионных процессов.

Таким образом, при распаде аустенита в нижней температурной области диаграммы изотермических превращений (см. рис. 111) образуется смесь пересыщенного твердого раствора углерода в α-Fe и специфического карбида железа: Ф' + Ц', тем более отличающаяся от смеси Ф + Ц, чем ниже температура превращения.

По мнению ряда исследователей, при бейнитном превращении из аустенита предварительно выделяется какое-то количество углерода, в результате чего образуются частицы карбида железа. Несколько обедненный при этом аустенит затем превращается в пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe— мартенсит М. Разберемся в том, как это происходит и при каких условиях.

• 2. Мартенситное превращение
• Если переохладить аустенит до точки Mн, то начнется так называемое мартенситное превращение, происходящее при непрерывном охлаждении в интервале температур от точки Мн„ до точки Мк, лежащей ниже О °С при С > 0,8%.
• Интервал температур Mн …Mк зависит от количества углерода в аустените стали (рис.2)

Так при содержании углерода больше 0.6% точка Мн находится в области отрицательных температур. Скорость охлаждения практически не влияет на температуру Мн и Мк.

Рис. 2.Влияние содержания углерода на положение мартенситных точек Мн и Мк.

Минимальная скорость охлаждения Vk, при которой весь аустенит переохлаждается до температуры точки Mн, и превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки.

Суть данного превращения состоит в том, что в этих условиях происходит только бездиффузионное аллотропическое превращение γ-Fe в α-Fe.

Что касается растворенных в аустените атомов углерода, то вследствие отсутствия диффузионных процессов они не могут выйти из образовавшейся новой решетки и поэтому остаются в ней, внося в нее существенные изменения и внутренние напряжения.

Для сталей с С>0.6% после охлаждения до 0°С в структуре закаленной стали сохраняется некоторое количество непревращенного (остаточного аустенита) Аост, количество которого увеличивается в высокоуглеродистых сталях с низким значением точек Мн и Мк,

Важнейшим условием А→М-превращения является непрерывное охлаждение аустенита в интервале от Мн до Мк. При остановках фиксируется нераспавшийся аустенит с неприятными последствиями (снижение твердости, изменение размеров и т. д.).

Механизм образования сводится к тому, что в зернах аустенита возникают растущие с огромной скоростью кристаллы мартенсита, имеющие продолговатую сплюснутую форму в виде пластин или реек и возросший объем.

За время превращения кристаллы мартенсита многократно возникают и проскакивают под углами 60° и 120° друг к другу. При наблюдении в микроскоп их следы имеют игольчатую форму.

1. Мартенситное превращение очень чувствительно к напряжениям, а деформация аустенита может вызвать превращение даже при температурах выше Мн (мартенсит деформации).
2. Схему превращения А→M можно записать в виде
3. γ-Fe(C) -> α-Fe(C).

При А->M происходит перестройка решетки γ-Fe г.ц.к. в решетку α-Fe о.ц.к. по сдвиговому механизму без выделения углерода из решетки α-железа.

Атомы растворенного в мартенсите углерода размещаются в октаэдрических порах тетрагональных кристаллов.

Согласно современным взглядам об электронном строении кристаллической решетки мартенсита, находящийся в октапоре атом углерода двумя из четырех своих валентных электронов образует ковалентные связи с двумя ближайшими атомами железа. Остальные же два валентных электрона переходят в электронный газ, образуя металлическую связь между атомами решетки.

Образующиеся в мартенсите трехцентровые ковалентные связи Fe-C-Fe почти на порядок сильнее металлических. К тому же они являются очень жесткими связями, допускающими лишь небольшие упругие деформации.

превышение которых влечет полное скачкообразное исчезновение взаимодействия.

Эти особенности межатомного взаимодействия в мартенсите сочетающие металлическую и ковалентную связи в его кристаллический решетке, являются основной причиной, предопределяющей его очень высокую твердость и хрупкость.

Имеются и другие факторы, которые вносят важный вклад в формирование вышеупомянутой специфики свойств мартенсита, в частности высокий уровень остаточных внутренних напряжений и большая плотность дислокаций.

В заключение напомним, что образование пересыщенного твердый раствор углерода в α-Fe происходит и при бейнитном превращении аустенита начиная с выступа С-крипых.

когда образуется только одна фаза, содержащая весь растворенный в аустените углерод, является истинно мартенситным.

аустенит мартенситный сталь безуглеродистый

3. Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение

При нагреве под закалку большинство легирующих элементов растворяются в аустените. Карбиды TiC, NbC, ZrC [частично (Fе, V)з С] не растворяются в аустените, даже когда их количество в стали мало.

Эти карбиды тормозят рост аустенитного зерна при нагреве и обеспечивают получение мелкоигольчатого мартенсита при закалке.

Остальные карбидообразующие элементы при небольшом количестве их в составе стали, а также некарбидообразующие элементы при нагреве растворяются в аустените и при закалке образуют легированный мартенсит.

Легирующие элементу оказывают незначительное влияние на распад мартенсита только при температурах ниже 200 °С. При более высоких температурах введение в сталь Cr, Mo, W, V, Si и Ti сильно тормозит процессы распада мартенсита, образования и роста частиц карбидов.

Это имеет большое практическое значение. Если в углеродистой и низколегированной стали состояние отпущенного мартенсита, обладающего высокой твердостью, сохраняется лишь до 250—350 С, то в высоколегированной стали такое состояние сохраняется до 450—500 °С и выше.

В таблице 1 показано распределение легирующих элементов в разных фазах конструкционной стали после закалки.

Таблица 1

Примечание: если легирующий элемент может присутствовать в разных фазах, предпочтительная форма его содержания в стали , выделена жирным шрифтом.

Источник: https://mirznanii.com/a/192255/martensitnoe-prevrashchenie