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.

Мартенсит выделяется прочностью по сравнению с остальными фазами. Механические свойства до определенного момента в прямой зависимости от количества углерода в стали. Но стоит заметить, что после прохождения определенной отметки прочность падает, и начинает повышаться хрупкость.

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.

Среди особенностей мартенситного превращения выделяется то, что аустенит не может полностью перейти в мартенсит. Бывают исключения — стали, точка перехода аустенита в мартенсит которых лежит ниже нуля. Но в большинстве случаев всегда имеется некоторый объем аустенитных фаз, не претерпевших своих структурных изменений. Связано это с физическими особенностями железа и углерода.

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.

Увеличение содержания бериллия в составе мартенситных сталей способствует дальнейшему повышению их механических свойств. Предел прочности стали 12Х11В2МФ равен примерно 850 Мпа. 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 Дж\см2. 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.