Что такое мартенсит и как его используют в металлургии

Так называют структуру металла, основа которого – железо, в котором растворен углерод. Под микроскопом она выглядит как темные иглы железа на светлом фоне, наклоненных под углом 60 градусов. Углерод увидеть нельзя, поскольку он полностью растворен.

Мартенсит получают путем поочередного нагрева и охлаждения. Сначала сталь становится аустенитной, кристаллическая решетка принимает кубический вид. После охлаждения решетка приобретает форму параллелепипеда (тетрагональную). Это вызвано тем, что углерод не выделяется из аустенита и потому влияет на атомы железа.

Структура и свойства мартенсита

Мартенситный сплав обладает эффектом памяти. Она заключается в следующем. Деформация металла, возникающая во время реакции, преодолевается при обратном превращении. Этот эффект был использован для создания сплавов с эффектом памяти. Если деформировать сплав во время мартенситной фазы, а потом нагреть его, он приобретет исходную форму.

В центре ячейки находятся атомы железа, содержащие атомы углерода.

Формы этого типа стали:

  • Пластинчатая, или двойниковая. Встречается в легированной и углеродистой сталях, температура образования менее 2000 градусов Цельсия. Пластинчатым этот вид мартенсита называется потому, что ячейка принимает форму пластины, разделяемой линией-мидрибом. Название двойникового этот тип получил по причине образования мидриба двойниками толщиной до 30 нм, расположенных по плоскостям ячейки.
  • Бабочкообразный. Элементы представляют собой соединение двух пластин под тупым углом, напоминающее бабочку. Встречается у сталей с высокой степенью легирования.
  • Реечный, или дислокационный. Температура формирования свыше 3000 градусов Цельсия, встречается в сплавах с небольшой частью углерода или высоколегированных. Форма ячейки – вытянутые рейки. Толщина элемента до 2 мкм, ширина больше толщины в 5 раз.
  • Линзовидный. Формируется в сталях с высоким легированием и содержанием углерода. Представляют собой два сросшихся кристалла.
  • Твердость и прочность обеспечивается сильным внутренним напряжением в элементе. Атомы углерода при нагреве перераспределяются диффузионным образом. Образуются две фазы металла.
  • Феррит. Кубическая форма элемента. Вершины и центр составляют атомы железа, остальное пространство заполняет углерод. Но последнего немного – до 0,02%.
  • Цементит. Элемент ромбический, состоящая из элементов в форме прямоугольного параллелепипеда.

Высокое внутреннее напряжение и форма кристаллической решетки делает эту форму стали хрупкой, особенно после закаливания. Хрупкость увеличивает вероятность холодного растрескивания шва и участков вокруг него. Поэтому сплав сваривают после его нагрева до температуры 300 градусов Цельсия. Используют для сварки такие методы, как электрошлаковый, флюсовый или дуговой с аргоном.

Мартенситный сплав трудно обработать механически. Чтобы это стало возможно, нужно нагреть металл до 800-900 градусов Цельсия. При воздействии высокой температуры материал набирает прочность, т. е. происходит самозакаливание.

Этот тип стали устойчив к кислотам и щелочам, влажной среде.

Свойства в зависимости от типа и добавок

Чтобы наделить заготовку необходимыми свойствами, при ее производстве применяются легирующие добавки.

Жаропрочностью обладают стали с добавлением вольфрама и ванадия. Материал марки 10ХМФБ устойчива не только к высокой температуре, но и разрыву Последняя составляет 600 Мпа.

Упругость и ударопрочность свойственна металлу с умеренным процентом углерода. Такое сырье дополнительно подвергается закалке и высокому отпуску. Ударная вязкость может достигать 150 Дж/кв. см.

Механическими показателями может похвастаться материал с добавлением бериллия. К примеру, прочность на разрыв марки 14Х11В2МФ равна 850 Мпа.

У сталей с кобальтом, хромом и молибденом хорошие магнетические свойства. Последний металл лучше всех делает сталь магнетиком, поскольку атомы кобальта сами по себе имеют магнетические свойства.

Мартенситная сталь стойка к воздействию водорода. Особенно это качество проявляется у марок Х9М, Х5М и Х5ВФ.

Вместе с тем, пластичность – не достоинство сплавов с мартенситом. Удельное сжатие этого металла не превышает 25%. Для увеличения пластичность добавляют никель, углерод и медь.

Способы получения

Существуют 4 метода получения структуры мартенсита. Это обработка в средах, ступенчатая закалка или обработка холодом.

В рамках первого способа материал доводят до температуры реакции, а затем быстро охлаждают в воде, масле или воздухе. Это способ может повлечь повреждения заготовки.

Второй способ предполагает нагрев, последующее погружение в воду. После определенного пребывания в воде заготовка погружается в более мягкую среду. Этот метод используют для серийного выпуска.

В рамках третьего способа заготовка помещается в жидкость с температурой, превышающей значение для реакции. После пребывания заданное время материал охлаждается в обычной среде. Ступенчатая закалка применяется для небольших заготовок из средне- и низколегированных сталей.

Четвертый метод используется, если температура конца реакции ниже нуля градусов по Цельсию. После нагрева заготовка помещается в жидкий азот. Так обрабатывают углеродистую высоколегированную сталь.

Теория получения

Мартенситную структуру получают из стали, где уровень углерода свыше 0,25-0,3%, на этапе охлаждения аустенитных элементов. В ходе реакции происходит бездиффузное преобразование гамма-железа в альфа-железо. Первое имеет решетку гранецентрированного кубического типа, второе – решетку объёмно-центрированного типа.

Между элементами мартенсита и аустенита возникает когерентная связь, поэтому образование первого происходит с высочайшей скоростью. Степень совпадения между двумя типами элементов обратным образом влияет на толщину игл.

У кристаллов мартенсита форма призмы. Чем больше в них количество углерода и легирующих элементов, тем выше длина и меньше основание призмы. Такая форма кристалла дает мартенситной стали прочность.

Атомы координировано смещаются на расстояние меньше межатомного. Это происходит из-за низкой подвижности и высокой упругости атомов.

Прочность и малая пластичность мартенситов обусловлена пластинчатой структурой элементов и их пластической деформации. На счет последнего процесса существуют предположения о его волновой природе.

Особенности реакции

Мартенсит появляется из аустенита потому, что у последнего много свободной энергии, а высокая температура позволяет высвободить ее. Важно нагреть материал не до определенного значения, а диапазона температур. Наивысшее значение диапазона меньше температуры начала аустенитного распада на несколько сотен градусов. Эти условия необходимо обеспечить, поскольку в структуре сплава остаются частицы аустенита.

Незначительная часть аустенитных элементов всегда остается после конца реакции. Это обусловлено физическими свойствами железа и углерода. Исключения составляют стали с отрицательной точкой перехода аустенита в мартенсит.

Количество мартенсита увеличивается путем пластической деформации сплава при температуре, достаточной для реакции. Такой температурой может быть и комнатная. Процесс проходит благодаря центрам кристаллизации, стимулирующим рост и уплотнение кристаллов. Центры задействуются при довольно низких температурах.

Кристаллы растут, пока хотя бы один из слоев атомов входит и в аустенитную, и в мартенситную кристаллические решетки без разделительной поверхности.

Мартенситное превращение не предполагает новых соединений. Во время этого процесса происходит только структурное преобразование кристаллической решетки и расположения атомов.

Преобразовать аустенит в мартенсит можно не только у стали. Это можно проделать и со сплавами на основе титана и меди.

Применение

мартенсит

Свойства мартенситной стали позволили применять этот тип металла во многих отраслях промышленности и машиностроения. Так, из мартенсита делают:

  • Элементы сварочного оборудования.
  • Пружины, рассчитанные на значительные нагрузки.
  • Составляющие части газовых турбин и паровых устройств: корпуса, диафрагмы, роторы, лопатки. Для этих компонентов подходят стали с добавлением бериллия.
  • Рабочие инструменты: измерительные, обрабатывающие, режущие и другого назначения.
  • Сосуды и насосы высокого давления (до 16 МПа).
  • Медицинские приборы и оборудование.
  • Компоненты коллекторов и трубопроводов, предназначенные для эксплуатации при высоких температуре и паровом давлении. Этот тип компонентов делается из стали с добавлением ванадия и вольфрама.
  • Нанотехнологические элементы.

Похожие статьи

Инструментальная углеродистая сталь. Состав и применение

В производственной промышленности часто используют углеродистые инструментальные стали.

Где применяется листовой металл

Металлические листы – это один из самых востребованных материалов на мировом рынке.

СОЖ – что это? Состав, виды и преимущества использования

Обработка заготовок на токарном станке предполагает их вращение на большой скорости.

Высоколегированные сплавы стали

Высоколегированные стали – это железоуглеродистые сплавы с содержанием легирующих добавок более 10% и до 50%, а железа – свыше 45%.