Что такое мартенсит и какие его свойства
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 9 октября 2018;
проверки требуют 7 правок.
Мартенсит — микроструктура игольчатого (пластинчатого), а также реечного (пакетного) вида, наблюдаемая в закалённых металлических сплавах и в некоторых чистых металлах, которым свойственен полиморфизм. Мартенсит — основная структурная составляющая закалённой стали; представляет собой упорядоченный пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе такой же концентрации, как у исходного аустенита. С превращением мартенсита при нагреве и охлаждении связан эффект памяти металлов и сплавов. Назван в честь немецкого металловеда Адольфа Мартенса.
микроструктура мартенсита
Образование[править | править код]
Физический механизм образования мартенсита принципиально отличается от механизма других процессов, происходящих в стали при нагреве и охлаждении. Другие процессы диффузионны, то есть атомы перемещаются с малой скоростью, например, при медленном охлаждении аустенита создаются зародыши кристаллов феррита и цементита, к ним в результате диффузии пристраиваются дополнительные атомы и, наконец, весь объём приобретает перлитную или феррито-перлитную структуру. Мартенситное превращение бездиффузионно (сдвиговое превращение), атомы перемещаются с большой скоростью по сдвиговому механизму, скорость распространения порядка тысячи метров в секунду.
Структура и свойства[править | править код]
Кристаллическая структура мартенсита тетрагональна, элементарная ячейка имеет форму прямоугольного параллелепипеда, атомы железа расположены в вершинах и центре ячейки, атомы углерода в объёме ячеек. Структура неравновесна, и в ней есть большие внутренние напряжения, что в значительной степени определяет высокую твёрдость и прочность сталей с мартенситной структурой.
При нагреве сталей с мартенситной структурой происходит диффузионное перераспределение атомов углерода. В стали возникают две фазы — феррит, содержащий очень мало углерода (до 0,02 %) и цементит (6,67 % углерода). Элементарная ячейка феррита имеет форму куба, атомы железа расположены в вершинах и в центре куба (объемноцентрированная структура), цементит имеет ромбическую структуру. Элементарная ячейка цементита имеет форму прямоугольного параллелепипеда.
Кристаллическая решётка мартенсита связана постоянными кристаллографическими соотношениями с решёткой исходной структуры аустенита, то есть плоскости с определёнными кристаллографическими индексами в структуре мартенсита параллельны плоскостям с определёнными индексами в структуре аустенита. Соотношение между кристаллографическими направлениями в решётках мартенсита и аустенита аналогично.
Фазовая диаграмма Железо — Углерод.
Виды мартенсита[править | править код]
1. Пластинчатый или игольчатый (двойниковый) мартенсит, который образуется в углеродистых и легированных сталях при температуре начала мартенситного превращения ниже 200 °C. При этом образовавшиеся мартенситные пластины имеют среднюю линию повышенной травимости, которую называют мидрибом. Мидриб состоит из большого числа двойников по плоскостям {112}, толщина которых составляет 5-30 нм.
2. Реечный или иначе пакетный (дислокационный) мартенсит, характерен для малоуглеродистых, среднеуглеродистых и высоколегированных сталей, для которых температура начала мартенситного превращения выше 300 °C. В этом случае кристаллы мартенсита представляют собой тонкие рейки толщиной 0,2-2 мкм и вытянутые в одном направлении. Сосредоточение параллельных друг другу реек образуют пакеты. Между собой рейки разделены тонкими прослойками остаточного аустенита толщиной 10-20 нм.
Образование того или иного структурного типа мартенсита обусловлено температурой его формирования, которая зависит от состава сплава и других факторов. Значительный интервал между температурой начала и конца мартенситного превращения приводит к наличию в сталях двух типов мартенсита, которые образуются при различной температуре. Низкая прочность аустенита при высокой температуре способствует образованию реечного мартенсита, а с понижением температуры, когда прочность аустенита выше, увеличивается доля пластинчатого мартенсита[1].
Также существуют низкоуглеродистые мартенситные стали, в которых образуется мартенсит только реечного типа и отсутствует остаточный аустенит. Температура начала мартенситного превращения у таких сталей порядка 400 °C.
Реечный мартенсит обладает повышенной релаксационной способностью.
Мартенситное превращение[править | править код]
Мартенситное превращение при охлаждении происходит не при постоянной температуре, а в определённом интервале температур, при этом превращение начинается не при температуре распада аустенита в равновесных условиях, а несколькими сотнями градусов ниже. Оканчивается превращение при температуре значительно ниже комнатной. Таким образом, в интервале температур мартенситного превращения в структуре стали, наряду с мартенситом, есть и остаточный аустенит. Температуры как начала, так и окончания мартенситного превращения могут сильно зависеть от концентраций легирующих элементов.
При пластической деформации стали при температурах мартенситного превращения количество мартенсита увеличивается. В некоторых случаях также влияет упругая деформация. Возможно превращение аустенита в мартенсит при комнатных температурах под действием пластической деформации.
Кроме железоуглеродистых сплавов, мартенситное превращение наблюдается и в некоторых других материалах, например, сплавах на основе титана (сплавы типа ВТ6, ВТ8, ВТ14), меди (бронзы типа БрАМц 9-3), материалах с памятью формы, оксидных материалах (ZrO2).
Примечания[править | править код]
- ↑ Гуляев А. П. Металловедение. — Металлургия, 1986. — С. 232–235. — 544 с.
См. также[править | править код]
- Распад мартенсита
- Тростомартенсит
Ссылки[править | править код]
- Миркин Л. Мартенсит // Энциклопедия «Кругосвет».
- Зотов О. Г., Кисельников В. В., Кондратьев С. Ю. Физическое металловедение. — СПБГТУ, 2001.
- Билби Б. А., Христиан И. В. Мартенситные превращения // Успехи физических наук. — 1960. — Т. LXX. — Вып. 3.
- [kutol.narod.ru/PUBL/martens.pdf Магницкий О.Н. и др. Моделирование на ЭВМ свойств твердых растворов железо—углерод как функции электронного строения легирующих компонентов и их состава. II.Прогнозирование физико-механических свойств твердых растворов альфа-железо—углерод (область мартенсита) ЭВМ. / О.Н.Магницкий, Е.Н.Пряхин, С.А.Кутолин, А.С.Капран, К.Л.Комаров, Ю.А.Фролов // Журнал физической химии — 1982. — Т. 56. — № 12. — С. 3026–3029.; Chem.Abstr. v.98,147571u,1983.]
Некоторые внешние ссылки в этой статье ведут на сайты, занесённые в спам-лист. Эти сайты могут нарушать авторские права, быть признаны неавторитетными источниками или по другим причинам быть запрещены в Википедии. Редакторам следует заменить такие ссылки ссылками на соответствующие правилам сайты или библиографическими ссылками на печатные источники либо удалить их (возможно, вместе с подтверждаемым ими содержимым). Список проблемных доменов |
- Большая советская энциклопедия
Мартенси́т
Структура кристаллических твёрдых тел, возникающая в результате сдвигового бездиффузионного полиморфного превращения при охлаждении (см. Мартенситное превращение). Назван по имени немецкого металловеда А. Мартенса (A. Martens; 1850—1914). В результате деформации решётки при этом превращении (так называемого кооперативного сдвига) на поверхности металла появляется рельеф; в объёме же возникают внутренние напряжения и происходит пластическая деформация, которые и ограничивают рост кристалла. Скорость роста достигает 103м/сек и не зависит от температуры, поэтому скорость образования М. обычно лимитирует зарождение кристаллов. Противодействие внутренних напряжений смещает зарождение кристаллов много ниже точки термодинамического равновесия фаз и может остановить превращение при постоянной температуре; в связи с этим количество возникшего М. обычно растет с увеличением переохлаждения. Поскольку упругая энергия должна быть минимальной, кристаллы М. принимают форму пластин (на шлифе — иголок), правильно ориентированных относительно исходной решётки. Внутренние напряжения снимаются также пластической деформацией, поэтому кристалл содержит много дислокаций (до 1012см-2) либо разбит на двойники толщиной 10—100 нм (100—1000 Å). Внутризёренные границы и дислокации упрочняют мартенсит. М. — типичный продукт низкотемпературных полиморфных превращений в чистых металлах (Fe, Со, Ti, Zr, Li и др.), в твёрдых растворах на их основе, в интерметаллидах (например, CuZn, Cu3Al, NiTi, V3Si, AuCd).
М. в стали — пересыщенный раствор Fe—C, получающийся при закалке (См. Закалка) из Аустенита. Упорядоченное размещение атомов углерода (в результате мартенситного сдвига) превращает объёмноцентрированную решётку α-железа из кубической в тетрагональную. Её искажения около внедрённых атомов вызывают упрочнение. Тетрагональность и упрочнение растут с концентрацией углерода (твёрдость — до 1000 HV). Углеродистый М. — основная структурная составляющая большинства высокопрочных сталей. Концентрация углерода в твёрдом растворе и субзёренная структура М. изменяются при Отпуске, используемом для повышения пластичности стали. Углерод — важнейший фактор прочности М. в стали; прочность безуглеродистой мартенситно-стареющей стали обусловлена выделениями интерметаллидов при старении (см. Старение металлов). Физическая природа М. Fe—С как раствора внедрения, происхождение его высокой прочности, сущность механизма и закономерности кинетики образования М. установлены Г. В. Курдюмовым.
Лит. см. при статье Мартенситное превращение.
М. А. Штремель.
Источник:
Большая советская энциклопедия
на Gufo.me
Значения в других словарях
- мартенсит —
[< соб.] – структура закалённой стали, которая после протравки имеет наблюдаемое под микроскопом мелкое игольчатое строение; отличается высокой твёрдостью и хрупкостью
Большой словарь иностранных слов - мартенсит —
сущ., кол-во синонимов: 2 гарденит 2 мартензит 1
Словарь синонимов русского языка - МАРТЕНСИТ —
МАРТЕНСИТ (от имени немецкого металловеда А. Мартенса (А. Martens; 1850-1914)) — микроструктура игольчатого вида, наблюдаемая в закаленных металлических сплавах и чистых металлах, которым свойствен полиморфизм.
Большой энциклопедический словарь - мартенсит —
орф. мартенсит, -а
Орфографический словарь Лопатина - мартенсит —
Мартенсит, мартенситы, мартенсита, мартенситов, мартенситу, мартенситам, мартенсит, мартенситы, мартенситом, мартенситами, мартенсите, мартенситах
Грамматический словарь Зализняка - Мартенсит —
См. Микроструктура стали.
Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона
Мартенситное превращение протекает в интервале температур Мн…Мк. Охлаждение до температуры Мн должно быть быстрым, чтобы исключить распад аустенита на фсрритно-цементитную смесь. Луч, характеризующий охлаждение (например, луч 4 на рис. 5.7), не должен пересекать линию а начала перлитного превращения. В противном случае диффузионные процессы полностью подавить не удастся – начнется выделение из аустенита кристаллов (центров кристаллизации) цементита, т.е. диффузионные процессы.
При охлаждении с такой скоростью наиболее сильно увеличивается степень переохлаждения, оба параметра кристаллизации (ЧЦК и СК) равны нулю. Таким образом, при охлаждении с высокой скоростью подавляются диффузионные превращения, однако бездиффузионное превращение, связанное с перестройкой кристаллической решетки, подавить быстрым охлаждением нельзя. В результате гранецентрированная кубическая рететка аустенита превращается в объемно-центрированную, характерную для феррита, без изменения при этом содержания углерода в твердом растворе:
При быстром охлаждении в α-растворе сохраняется концентрация углерода, равная его содержанию в аустените и значительно превышающая его растворимость в железе-а в равновесном состоянии. Теоретически при быстром охлаждении растворимость углерода может достигать 2,14%, тогда как при медленном охлаждении до цеховой температуры (20 °С) в железе-α (в феррите) растворяется (согласно диаграмме «железо – цементит») только 0,006% углерода. Вследствие такого пересыщения углеродом, атомы которого внедряются между атомами железа, кристаллическая решетка железа-α искажается и, вытягиваясь вдоль вертикального ребра, превращается из кубической в тетрагональную.
Образующаяся в результате бездиффузионного превращения новая фаза называется мартенситом. Мартенсит – это пересыщенный и поэтому неравновесный твердый раствор внедрения углерода в железе-а.
Тетрагональная кристаллическая решетка мартенсита (рис. 5.10) характеризуется двумя параметрами: с и а, причем с > а, т.е. с/а> 1. Отношение с/а называется степенью тетрагональности. Чем больше в мартенсите углерода, тем больше степень тетрагональности, которую можно определить по следующей зависимости: с/а = 1 + 0,046С, где С – концентрация углерода в аустените (в % по массе).
Механизм мартенситного превращения заключается в том, что атомы углерода, присутствующие в решетке аустенита, сохраняют такое же положение и в решетке железа-α (мартенсите). В то же время перестройка кристаллической решетки осуществляется путем сдвига. Сдвиговый механизм превращения характеризуется закономерным кооперативным направленным смещением атомов железа. Группы атомов смещаются относительно других на расстояния, не превышающие межатомные, сохраняя взаимное соседство. На поверхности металлического шлифа возникает микрорельеф. Перестройка кристаллической решетки железа-γ (аустенита) в кристаллическую решетку
Рис. 5.10. Кристаллическая решетка мартенсита (объемно-центрированная тетрагональная)
железа-α (мартенсита) происходит по определенным кристаллографическим плоскостям, строение которых у обеих решеток совпадает, а параметры близки по своим значениям. В результате образуется когерентная связь между кристаллическими решетками аустенита и мартенсита. Скорость образования и роста кристаллов мартенсита очень велика (103 м/с). Одновременно в области когерентного сопряжения вследствие разности удельных объемов аустенита и мартенсита возникают напряжения, которые вызывают сначала упругую, а затем пластическую деформацию. Образуется межфазная граница с неупорядоченным расположением атомов, т.е. сопряженность решеток нарушается. При таком нарушении когерентности решеток дальнейший упорядоченный переход атомов из аустенита в мартенсит становится невозможным и рост кристаллов мартенсита прекращается.
Мартенситное превращение происходит при непрерывном охлаждении в интервале температур от Mн до Мк. Эти температуры обозначены на диаграмме (см. рис. 5.7) горизонтальными линиями. Мартенситное превращение является бездиффузионным, и скорость охлаждения не влияет на температуру бездиффузионного превращения.
Температуры M11 и Mk зависят от концентрации углерода в аустените. Чем больше углерода в аустените (т.е. в стали), тем ниже температурный интервал мартенситного превращения (рис. 5.11). Особенно сильно углерод снижает точку Mk в углеродистых сталях, содержащих 0,5…0,6% углерода, она оказывается ниже 20 °С, а при концентрации углерода более 0,6% снижается в область отрицательных температур.
Если задержать на некоторое время охлаждение стали в интервале Мн…Мк, то сохранившийся переохлажденный аустенит становится более устойчивым. При последующем понижении тем-
Рис. 5.11. Влияние углерода на температуры мартенситного превращения Mн и Mk
пературы превращение аустенита в мартенсит возобновляется не сразу, а происходит при более низкой температуре и менее интенсивно.
В сталях с содержанием углерода более 0,5…0,6% при обычных условиях охлаждения (т.е. до 20 °С – цеховой температуры) такая задержка в интервале температур Мн…Мк возникает естественным образом, поскольку температура Мк ниже 20 °С. Поэтому в этих сталях мартенситное превращение происходит не до конца и в их структуре вместе с мартенситом присутствует некоторое количество непревращенного аустенита, который называют остаточным (остаточный аустенит). В сталях с содержанием углерода 0,6…1,0% количество остаточного аустенита не превышает 10%, а в сталях, содержащих до 1,2…1,5% углерода, оно достигает 30…50%.
Кристаллы мартенсита в зависимости от состава стали, а следовательно, от температуры образования могут иметь разное строение. Различают два типа мартенсита – пластинчатый и реечный (рис. 5.12). В высокоуглеродистых сталях, которые имеют более низкие температуры мартенситного превращения, образуется пластинчатый мартенсит. Под микроскопом пластины мартенсита имеют вид игл (игольчатый мартенсит).
Рис. 5.12. Реечный (массивный) и пластинчатый (игольчатый мартенсит):
а – реечный; б – пластинчатый
В низко- и среднеуглеродистых конструкционных сталях (до 0,5% углерода), имеющих более высокие температуры мартенситного превращения, образуется реечный мартенсит. Кристаллы этого высокотемпературного мартенсита имеют форму тонких реек, которые, располагаясь в одном направлении, образуют массивные пакеты. Поэтому такой высокотемпературный реечный мартенсит часто называют массивным.
Рис. 5.13. Микроструктура низкоуглеродистого реечного (а) и высокоуглеродистого пластинчатого (игольчатого) (б) мартенсита. × 1000
Микроструктура мартенсита приведена на рис. 5.13.
Размеры кристаллов мартенсита (пластинчатого и реечного) определяются величиной исходного зерна аустенита. Они тем крупнее (длиннее), чем больше средний поперечный размер зерна аустенита. Длина первых кристаллов (пластин) мартенсита ограничивается лишь границами зерен аустенита. При последующем образовании мартенсита кристаллы имеют меньшие размеры, так как их развитию препятствуют ранее образовавшиеся кристаллы мартенсита.
Мартенсит является основной фазой, которую получают при закалке сталей. Для осуществления закалки изделие (деталь или инструмент) после нагрева до закалочных температур необходимо охлаждать со скоростью большей, чем критическая скорость закалки – vкр. Критической скоростью закалки называется минимальная скорость охлаждения, при которой подавляются все диффузионные превращения в стали, аустенит переохлаждается до температуры Мн и превращается в мартенсит (см. рис. 5.7).
Свойства мартенсита
Характерной особенностью мартенсита является его высокая твердость и прочность. Чем больше в стали и, естественно, в мартенсите углерода, тем
Рис. 5.14. Влияние углерода на твердость мартенсита
больше степень тетрагональности (искаженности) его кристаллической решетки, тем больше сопротивление пластической деформации, а следовательно, выше твердость (рис. 5.14) и прочность.
При повышении концентрации углерода в стали до 0,6…0,7% и более твердость возрастает до 65…66 HRC. Предел прочности (временное сопротивление σв) мартенсита при такой же концентрации углерода достигает 2400…2600 МПа. Это в 2,5 раза выше прочности малоуглеродистого мартенсита, содержащего 0,015% углерода (до 1000 МПа). Вместе с тем мартенсит обладает низкой пластичностью. C увеличением содержания углерода возрастает его склонность к хрупкому разрушению; в испытаниях на растяжение стали разрушаются хрупко уже при содержании углерода более 0,35%.
Мартенсит имеет наибольший удельный объем по сравнению с аустенитом и другими фазами стали. Поэтому мартенситное превращение протекает с увеличением объема, которое является одной из основных причин возникновения при закалке сталей значительных напряжений и, как следствие, деформации стальных изделий или даже образования трещин.