Мартенсит: свойства, виды, сферы применения

Структура и свойства мартенсита

Слово «мартенсит» не известно никому, кроме металлургов, но история его появления достаточно увлекательна, и заслуживает хотя бы нескольких строк.

Один из великих периодов изменений в цивилизации начался тогда, когда железо заменило бронзу. Тем не менее, было совершенно неизвестно, что именно придавало металлу ценные свойства, и на протяжении веков методы производства высококачественной стали хранились почти в алхимических секретах. Очевидно, что железо было основным компонентом, но эмпирически были обнаружены множество других незначительных добавок, для чего применялись экзотические способы охлаждения до комнатной температуры раскаленного докрасна металла.

Окончательно железо заменило бронзу примерно после 1200 г. до н.э. Тогда же было выяснено, что чистое железо - не очень полезный материал: оно мягкое и легко ржавеет. Правда, в Индии, близ Дели, стоит так называемая кутубова колонна, которая каким-то неизвестным образом была изготовлена из чистого железа, и она действительно проявляет высокую антикоррозионную стойкость, но это уже совсем другая история.

Растворяя в железе углерод, можно получить твёрдый, но и очень хрупкий чугун, поэтому такой способ упрочнения не годится. Поэтому поиски наилучшей технологии повышения твёрдости, при сохранении удовлетворительной пластичности, продолжились.

Техника закалки железа в холодной воде впервые упоминается в «Одиссее» Гомера. Для ослепления циклопа по имени Полифем, который заключил Одиссея в тюрьму, был использован раскалённый кол, который сразу же после экзекуции Полифема окунули в холодную воду. Говоря современным языком, железный кол подвергли закалке, а затем – отпуску. В результате быстрого охлаждения атомы углерода вытянулись вдоль оси, повысив не только твёрдость, но и устойчивость металла к трещинам – в структуре произошло мартенситное превращение.

Но не всё оказалось таким однозначным. По мере развития процессов химического анализа выяснилось, что различные стальные сплавы с очень похожим составом обладают совершенно разными механическими свойствами. Химия оказалась неспособной разрешить эту загадку, ответ пришёл из совершенно другой области науки - оптики.

В 1890 году Адольф Мартенс – немецкий специалист в области металлографии, исследуя микроструктуру стали, обнаружил невидимые невооружённым глазом множество различных узоров. Им было установлено, что более твёрдые стали имеют полосчатые области, состоящие из разноориентированных микрокристаллических фаз, в то время как материалы более низкого качества обладают слабой когерентной структурой. Такие узорчатые в честь их первооткрывателя и были названы мартенситными.

Осознание того, что микроскопическое формирование структуры стали может быть столь же важным, как и её состав, стало переломным моментом в металлургии. Так родилось новое научное направление - металлография", были открыты и изучены сотни материалов с мартенситной морфологией.

Морфология мартенсита - это термин, используемый металлургами для описания изучения формы, размера, текстуры и фазового распределения физических объектов. Мартенсит можно наблюдать в микроструктуре в двух совершенно разных формах - реечной или пластинчатой - в зависимости от содержания углерода.

Пластинчатый (двойниковый) мартенсит

Пластинчатые мартенситные структуры отличаются повышенной прочностью, но имеют тенденцию быть более хрупкими. На микроснимках, полученных с помощью электронных микроскопов, хорошо прослеживаются области такого мартенсита, имеющие форму линз. Для сталей, содержащих менее 0,60 % углерода, длинные тонкие пластины двойникового мартенсита часто сгруппированы в пакеты.

По мере увеличения процентного содержания углерода, так называемые высокоуглеродистые двойники мартенсита, начинают замещать дислокации внутри пластин. Это преобразование сопровождается объёмным расширением, создавая остаточные напряжения (в дополнение к деформациям) из-за внедрения атомов растворённого вещества. Уровень внутренних напряжений, способствующих повышению твёрдости стали, не должен превышать предела её прочности, иначе вероятно растрескивание стального изделия.

Реечный (дислокационный) мартенсит

Реечный мартенсит ассоциируется с высокой ударной вязкостью и пластичностью, но одновременно и с низкой прочностью. В низкоуглеродистых сталях реечные мартенситы в качестве субструктуры содержат дислокации высокой плотности.

Многие реечные мартенситы состоят из двойниковой субструктуры, а не из дислокаций высокой плотности. Кроме того, на границах раздела двойников обнаруживаются наноразмерные выделения, сцепляющиеся с ферритной матрицей. Это явление характерно не только для сталей, но и для титановых сплавов, а также других металлов, которые имеют объёмно-центрированную кристаллическую решётку.

Мартенситное превращение в сталях

Для образования мартенсита металл необходимо нагреть до состояния аустенита и закалить из аустенитной фазы, чтобы избежать образования перлита. Скорость закалки должна быть достаточно высокой, чтобы избежать перегиба кривой «время-температура-преобразование» - так называемой критической скорости охлаждения. Образование мартенсита включает структурную перестройку (путем сдвигового смещения) атомов из гранецентрированного кубического аустенита в объёмно-центрированную тетрагональную мартенситную структуру. Это изменение сопровождается большим увеличением объёма и приводит к состоянию с высоким уровнем внутренних напряжений. Поэтому мартенсит имеет более высокую твердость, чем аустенит того же химического состава.

Мартенситное превращение, хотя и не мгновенное, происходит значительно быстрее, чем контролируемые диффузией процессы. В числе таких процессов - образование феррита и перлита. Их химический состав существенно отличается от аустенита, из которого они произошли. Таким образом, структура мартенсита - это метастабильное, вызванное деформацией состояние, в котором находится сталь. Результирующая твёрдость определяется, в первую очередь, процентным содержанием углерода.

Интенсивность мартенситного превращения также зависит от содержания углерода в стали. Увеличение данного показателя в аустените снижает температуры мартенситного превращения, что приводит к трудностям в превращении всего аустенита в мартенсит. Диапазон температур мартенситного превращения особенно важен при сварке, поскольку определяет состояние остаточных напряжений в свариваемых заготовках. Эти температуры для каждой конкретной марки могут быть рассчитаны, а для наиболее часто используемых марок приводятся в справочниках.

Особенности и сферы применения мартенситных сталей

Состав и свойства мартенситной стали дают ей однозначные преимущества при использовании в напряжённых конструкциях. Вследствие особенностей химического состава правильно подобранным режимом термической обработки и старения (либо отпуска) обеспечивается её закалка и упрочнение.

Нержавеющие стали мартенситного класса характеризуются высокой прочностью и твёрдостью в термически обработанном состоянии. Наибольшее применение находят сплавы, которые содержат 11…17% хрома, 4…15% молибдена, 1,2% углерода и никеля, 0,15…0,63% углерода. По сравнению с другими типами нержавеющей стали пониженное содержание никеля делает стали мартенситного класса менее устойчивыми к коррозии. С другой стороны, высокий процент углерода приводит к тому, что мартенситная сталь имеет весьма прочную молекулярную структуру. Особой прочностью, в том числе, и при ударных нагрузках обладают комплексно легированные мартенситостареющие стали.

Обычно рассматриваемые металлы поставляются в отожжённом состоянии, что удобно для проведения операций пластического формоизменения - вырубки, гибки, вытяжки или выдавливания. После деформации, если требуется, можно выполнять и последующую термообработку, в результате которой механические свойства стали достигают необходимых значений. Исключение составляют марки, подвергающиеся предельно возможным степеням деформации, когда предел прочности увеличивается вследствие деформационного упрочнения.

Области применения:

Изготовление столовых приборов и кухонной посуды;
Производство хирургические и стоматологические инструменты;
Изготовление деталей, которые работают в условиях высоких эксплуатационных нагрузок (пружины, ножницы, промышленные ножи);
Автомобилестроение, транспортная и дорожно-строительная техника;
Инструментальное производство отвёрток, плоскогубцев, степлеров и т.д.
Все мартенситные марки сталей являются магнитными, причём как в отожжённом, так и в закалённом (термообработанном) состоянии.

Все стали, содержащие мартенсит, должны быть отпущены. Дело в том, что закалённый мартенсит образует твердую хрупкую микроструктуру, поэтому следует обеспечивать тонкий баланс, необходимый между прочностью и ударной вязкостью. При отпуске мартенсит частично разлагается на феррит и цементит. Отпущенный мартенсит не такой твёрдый, как только что закаленный, однако он практически сохраняет свою исходную твёрдость, приобретая более мелкозернистую структуру.

Образование мартенсита не ограничивается только сталями. Ряд сплавов также отличается кристаллографическими изменениями аналогичной природы.