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.

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.

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

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.