مارتنزیت

مارتنزیت در فولاد AISI 4140
0.35%Cفولاد خنک شده در اب از ۸۷۰ °C
مارتنزیت ، که به نام متولد آلمان آدولف مارتنز (۱۸۵۰–۱۹۱۴) نامیده می‌شود، به شکل بسیار سختی از ساختار کریستالی فولاد گفته می‌شود اما می‌توان به هر ساختار بلوری که توسط استحاله‌ی بدون نفوذ به وجود آمده، گفته می‌شود؛ که شامل یک کلاس از مواد معدنی سخت که دارای دانه‌های کریستالی بشقاب یا توفال شکل هستند، می‌شود.
ریشه لغوی
مارتنزیت از نام متالورژیست آلمانی آدولف مارتنز گرفته شده‌است.
خواص
مارتزیت در فولادهای کربنی بوسیله خنک کردن سریع (quenching) آستنیت با سرعت بسیار بالا به دست می‌آید که اتم‌های کربن زمان لازم برای نفوذ در ساختار کریستالی برای تشکیل سمانتیت (Fe 3 C) پیدا نمی‌کنند. آستنیت (-Fe، آهن گاما)، یک محلول جامد از آهن و عناصر آلیاژی است. تشکیل مارتنزیت همواره همراه با مقدار قابل
ملاحظه‌ای تغییر شکل مومسان در فاز آستنیت مادر است. تنش یا نیروی عکس العمل
حاصل از تغییر شکل مومسان آستنیت بر روی بلور مارتنزیت، رشد بلور مارتنزیتی را محدود
کرده و ادامه دگرگونی فقط با جوانه زنی بلورهای جدید مارتنزیت امکان‌پذیر است. صفحاتی از بلورهای آستنیت که بلورهای مارتنزیتی ترجیحا بر روی آنها تشکیل می‌شود به
صفجات رابط موسومند. اگر فاز آستنیت نتواند تغییر شکلهای مومسان حاصل از برشهای مارتنزیت را تحمل کند در فصل مشترک مارتنزیت - آستنیت مادر جدایش یا ترک خوردگی ایجاد می‌گردد. در نتیجه خنک کردن سریع، آستنیت FCC به فرم BCT به نام مارتنزیت تبدیل می‌شود که با کربن اشباع شده‌است. تغییر شکلهای برشی که موجب ایجاد تعداد زیاد نابجایی می‌شود، یک مکانیسم اصلی تقویت فولاد است. بالاترین سختی یک فولاد مرواریدی ۴۰۰ برینل است در حالی که سختی مارتنزیت می‌تواند به ۷۰۰ برینل برسد.
واکنش مارتنزیتی در هنگام خنک شدن شروع می‌شود زمانی که آستنیت به دمای شروع مارتنزیت (M s ) می‌رسد و آستنیت به‌طور مکانیکی ناپایدار می‌شود. همان‌طور که نمونه خنک می‌شود، درصد قابل توجهی از آستنیت به مارتنزیت تبدیل می‌شود تا زمانی که دمای کمتر از استحاله (M f ) به دست آید، که در آن زمان استحاله به پایان می‌رسد.
برای فولاد یوتکتوئید(%۰٫۷۸ کربن)، ۶ تا ۱۰٪ از آستنیت به نام آستنیت حفظ شده باقی می‌ماند. درصد آستنیت حفظ شده از مقدار ناچیزی برای فولاد کمتر از ۰٫۶٪ کربن افزایش می‌یابد به ۱۳٪ آستنیت حفظ شده در فولاد ۰٫۹۵٪ کربن و ۳۰–۴۷٪ آستنیت حفظ شده برای فولاد کربن ۱٫۴٪. کربن خنک کردن بسیار سریع برای ایجاد مارنزیت ضروری است.
برای یک فولاد کربن یوتکتیک مقطع نازک، اگر خنک کردن با شروع شدن ۷۵۰ درجه سانتیگراد و پایان دادن به ۴۵۰ درجه سانتیگراد در ۰٫۷ ثانیه (نرخ ۴۳۰ درجه سانتی گراد / ثانیه) اتفاق بیفتد، هیچ پرلیتی ایجاد نخواهد شد و فولاد مارتنزیتی با مقدار کمی آستنیت حفظ شده به دست می‌آید.
برای فولاد ۰–۰٫۶٪ کربن، مارتنزیت ظاهر توفالی دارد و مارتنزیت توفالی نامیده می‌شود. برای فولاد با بیش از ۱٪ کربن، یک ورق مارتنزیتی تشکیل می‌شود. بین این دو درصد، ظاهر فیزیکی دانه‌ها ترکیبی از هر دو است. استحکام مارتنزیت کاهش می‌یابد اگر مقدار آستنیت حفظ شده رشد کند. اگر نرخ خنک کردن کندتر از نرخ خنک کردن بحرانی باشد، مقدار کمی از پرلیت تشکیل خواهد شد، از مرزهای دانه شروع می‌شود به سمت داخل دانه رشد می‌کند تا زمانی که درجه حرارت به M s برسد، آستنیت باقیمانده باسرعت نزدیک به نصف سرعت صوت در فولاد تبدیل به مارتنزیت می‌شود.
در آلیاژهای خاص فولاد مارتنزیت نیز می‌تواند از طریق کار و به همین ترتیب تغییر شکل فولاد تشکیل شود، در حالی که فولاد در فرم آستنیتی است، با خنک کردن به زیر دمای M s و سپس با تغییر شکل پلاستیک را اعمال می‌کنیم تا سطح مقطع عرضی بین ۲۰٪ تا ۴۰٪ از سطح مقطع اصلی کمتر شود. این روند باعث افزایش نابجایی تا 10 13 /cm 2 می‌شود. رسوبات نابجایی‌ها را در محل قفل می‌کنند و فولاد را بسیار سخت می‌کنند. این شیوه به‌طور معمول در سرامیک‌های سخت مانند زیرکونیا تثبیت شده با اتریا و در فولادهای ویژه مانند فولادهای TRIP استفاده می‌شود؛ بنابراین، مارتنزیت می‌تواند به صورت گرمایی یا تنشی ایجاد شود.
یکی از تفاوت‌های این دو فاز این است که مارتنزیت دارای ساختار بلوری متشکل ازBCT است، در حالی که آستنیت دارای ساختار FCC است. انتقال بین این دو ساختار نیاز به انرژی فعال سازی حرارتی بسیار کم دارد، زیرا این یک تبدیل بدون نفوذ است که منجر به بازسازی ظریف اما سریع موقعیت اتمی می‌شود و حتی در دماهای سرد نیز دیده می‌شود. مارتنزیت دارای چگالی کمتری نسبت به آستنیت است، پس مارتنزیتی شدن استنیت منجر به تغییر نسبی حجم می‌شود. بسیار مهمتر از تغییر حجم، کرنش برشی است که مقداری حدود ۰٫۲۶ دارد و شکل صفحات مارتنزیت را تعیین می‌کند.
مارتنزیت در نمودار فازی تعادل سیستم آهن- کربن نشان داده نمی‌شود، زیرا فاز تعادلی نیست. فازهای تعادلی با سرعت آهسته خنک کردن شکل می‌گیرند که زمان کافی برای نفوذ دارند، در حالی که مارتنزیت معمولا با نرخ خنک کردن بسیار بالا شکل می‌گیرد. از آنجائیکه فرایندهای شیمیایی (دستیابی به تعادل) در دمای بالاتر تسریع می‌شوند، مارتنزیت به راحتی توسط گرمادهی تخریب می‌شود. این فرایند گرمادهی نامیده می‌شود. در بعضی از آلیاژها، این فرایند بر اثر اضافه شده عناصری مانند تنگستن که باعث ایجاد مزاحمت برای هسته سمانتیت می‌شود، کاهش می‌یابد، اما بیشتر از آن، هسته سمانتیت اجازه می‌دهد که فشار از بین برود. از آنجا که خنک کردن ممکن است کنترل کردنش دشوار باشد، بسیاری از فولادها برای تولید بیش از حد مارتنزیت خنک می‌شوند و سپس به تدریج آن‌ها را گرمادهی می‌کنند تا زمانی که ساختار ترجیحی برای کاربرد مورد نظر به دست آید. ریز ساختار سوزنی مارتنزیت منجر به رفتار شکننده مواد می‌شود. مارتنزیت بیش از حد فولاد را ترد می‌کند و مارتنزیت کم آن را نرم می‌کند.
اشکال مختلف مارتنزیت در فولادها
مارتنزیت بشقابی
مارتنزیت لایه‌ای
ترکیبی از مارتنزیت بشقابی و لایه‌ای (مارتنزیت مختلط)
پارامتر تعیین‌کننده نوع مارتنزیت دمای تشکیل آن است، بدین صورت که
اگر دمای M s زیر یک دمای بحرانی باشد، مارتنزیت حاصل عمدتا از نوع
بشقابی است، در غیر اینصورت مارتنزیت لایه‌ای تشکیل می‌شود.
از آنجاییکه دمایM s یک فولاد توسط درصد کربن آن کنترل می‌شود،
بنابراین نوع مارتنزیت نیز توسط درصد کربن مشخص می‌شود.
مارتنزیت بشقابی
مارتنزیت بشقابی شکل در فولادهای پر کربن) بیش از ۱٪ (و همچنین آلیاژهای آهنی) به
عنوان مثال، Fe-%33.5Ni (بوجود می‌آید. میکروساختار یاد شده از تیغه‌های درشت و
سوزنی شکل مارتنزیتی که توسط مقدار زیادی آستنیت باقیمانده احاطه شده‌است.
مارتنزیت لایه‌ای
یکی از مشخصه‌های مهم میکروساختار مارتنزیت لایه‌ای شکل، موازی قرار
گرفتن تعداد زیادی لایه مارتنزیتی در نواحی وسیعی از دانه‌های آستنیت
اولیه است) درصد کربن زیر ۰٫۶.
مارتنزیت مختلط
در آلیاژهای آهن – کربن با ۰٫۶ تا ۱ درصد کربن، هر دو نوع مارتنزیت لایه
ای و بشقابی در جوار یکدیگر بوجود می‌آیند. در گستره فوق، با افزایش درصد
کربن احتمال تشکیل مارتنزیت بشقابی افزایش می‌یابد.
عملیات حرارتی