Мартенсит это: Мартенсит | это… Что такое Мартенсит?

alexxlab | 24.01.2023 | 0 | Разное

Мартенсит | это… Что такое Мартенсит?

Мартенсит — микроструктура игольчатого (пластинчатого) вида, а также реечного (пакетного) 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

Содержание 1 Образование 2 Структура и свойства 3 Виды мартенсита 4 Мартенситное превращение 5 Примечания 6 См. также 7 Ссылки

Образование

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

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.

Виды мартенсита

1. Пластинчатый (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 (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].

Так же существуют низкоуглеродистые мартенситные стали, в которых образуется мартенсит только реечного типа и отсутствует остаточный аустенит. Температура начала мартенситного превращения у таких сталей порядка 400 градусов Цельсия. Реечный мартенсит обладает повышенной релаксационной способностью.

Мартенситное превращение

Основная статья: Мартенситное превращение

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.

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, например, сплавах на основе титана (сплавы типа ВТ6, ВТ8, ВТ14), меди (бронзы типа БрАМц 9-3).

Примечания

1. ↑ Гуляев А. П. Металловедение. — Металлургия, 1986. — С. 232-235. — 544 с.

См. также

• Распад мартенсита
• Тростомартенсит

Ссылки

• Энциклопедия «Кругосвет» [1]
• Зотов О. Г., Кисельников В. В., Кондратьев С. Ю. Физическое металловедение. СПБГТУ, 2001
• Б. А. Вилби и И. В. Христиан. Мартенситные превращения // Успехи физических наук, т. LXX, вып. 3, 1960
• О.Н.Магницкий,Е.Н.Пряхин,С.А.Кутолин,А.С.Капран,К.Л.Комаров,Ю.А.Фролов.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. -Ж.физ.химии,1982.-т.56,№12,с.3026-3029.- Chem.Abstr.,v.98,147571u,1983.

Мартенсит | это… Что такое Мартенсит?

Мартенсит — микроструктура игольчатого (пластинчатого) вида, а также реечного (пакетного) 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

Содержание 1 Образование 2 Структура и свойства 3 Виды мартенсита 4 Мартенситное превращение 5 Примечания 6 См. также 7 Ссылки

Образование

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

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.

Виды мартенсита

1. Пластинчатый (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 (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].

Так же существуют низкоуглеродистые мартенситные стали, в которых образуется мартенсит только реечного типа и отсутствует остаточный аустенит. Температура начала мартенситного превращения у таких сталей порядка 400 градусов Цельсия. Реечный мартенсит обладает повышенной релаксационной способностью.

Мартенситное превращение

Основная статья: Мартенситное превращение

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.

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, например, сплавах на основе титана (сплавы типа ВТ6, ВТ8, ВТ14), меди (бронзы типа БрАМц 9-3).

Примечания

1. ↑ Гуляев А. П. Металловедение. — Металлургия, 1986. — С. 232-235. — 544 с.

См. также

• Распад мартенсита
• Тростомартенсит

Ссылки

• Энциклопедия «Кругосвет» [1]
• Зотов О. Г., Кисельников В. В., Кондратьев С. Ю. Физическое металловедение. СПБГТУ, 2001
• Б. А. Вилби и И. В. Христиан. Мартенситные превращения // Успехи физических наук, т. LXX, вып. 3, 1960
• О.Н.Магницкий,Е.Н.Пряхин,С.А.Кутолин,А.С.Капран,К.Л.Комаров,Ю.А.Фролов.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. -Ж.физ.химии,1982.-т.56,№12,с.3026-3029.- Chem.Abstr.,v.98,147571u,1983.

Мартенситное образование | Металлургия для чайников

 

Мартенсит представляет собой твердую хрупкую форму стали с тетрагональной кристаллической структурой, созданную в результате процесса, называемого мартенситным превращением. Он назван в честь металлурга Адольфа Мартенса (1850-1914), который обнаружил его структуру под своим микроскопом во время своих металлографических исследований и объяснил, как на физические свойства различных типов стали влияет их микроскопическая кристаллическая структура. Мартенсит обычно встречается в таких инструментах, как молотки и долота, а также в мечах.

Рисунок 1. Мартенсит образуется при быстром охлаждении

Мартенсит образуется при быстром охлаждении (закалке) аустенита, который захватывает атомы углерода, не успевающие диффундировать из кристаллической структуры. Эта мартенситная реакция начинается во время охлаждения, когда аустенит достигает начальной температуры мартенсита (Ms) и исходный аустенит становится механически нестабильным. При постоянной температуре ниже Ms часть исходного аустенита быстро превращается, после чего дальнейшее превращение не происходит. При понижении температуры большая часть аустенита превращается в мартенсит. Наконец, когда достигается конечная температура мартенсита (Mf), превращение завершается.

Мартенситное превращение представляет собой бездиффузионный фазовый переход в твердом состоянии с большой девиаторной составляющей. Что это означает, должно быть проиллюстрировано простым двухмерным наброском.

Рисунок 2 – Двумерная схема мартенситного превращения из квадратной решетки а в два варианта б и в, отличающиеся только ориентацией.

Рассмотрим на рисунке 1a квадратичный массив окружностей, представляющих атомы. По какой-то причине этот массив становится нестабильным и искажается до решетки, показанной на рисунке 1b. Показанное искажение велико, но площадь массива может оставаться неизменной. Это однородное искажение исходной решетки, при котором атом не меняет своего положения по отношению к своим соседям, а только изменяет их расстояния. Это характерно для бездиффузионных превращений с большими изменениями формы. По этим причинам преобразование можно назвать девиаторным.

Поскольку исходная решетка на рисунке 1 имеет квадратичную симметрию, эквивалентное искажение приводит к c на рисунке, единственное отличие заключается в ориентации в пространстве. Предположим теперь, что стабильность решеток зависит от термодинамической переменной, например от температуры: при более высокой температуре квадратная решетка может быть устойчивой, но при охлаждении она переходит в новую структуру при критической температуре. Но так как в нашем случае возможны два разных варианта одной и той же структуры, то полученная конфигурация состоит из смеси того и другого.

Это преобразование можно проследить, измерив преобразованную долю как функцию температуры при охлаждении. См. рис. 3.

Рис. 3. Температурная зависимость процентного содержания М мартенсита, образовавшегося во время цикла охлаждения и нагревания, отмеченного стрелками.

Указаны соответствующие характеристические температуры.

В большом куске решетки невозможно преобразовать весь материал одновременно, вместо этого новая структура зарождается сначала локально в некоторой области внутри массива, а затем растет. Он начинается при температуре MS, называемой температурой мартенситного начала. Так как два варианта б и в на рис. 1 энергетически эквивалентны, они формируются с одинаковой вероятностью и начинают взаимно препятствовать дальнейшему росту. Для продолжения роста необходимо увеличить движущую силу, что означает дальнейшее охлаждение. По этой причине преобразованная фракция увеличивается только при понижении температуры и завершается при конечной температуре MF. При повторном нагревании происходит ретрансформация, начинающаяся в AS и заканчивающаяся в AF. Как правило, имеется смещение по отношению к кривой охлаждения. Этот гистерезис может быть довольно большим. Поскольку перераспределения атомов не происходит, диффузионные процессы, зависящие от времени, отсутствуют.

Поэтому мартенситное превращение зависит от температуры, а не от времени.

Разумно ожидать, что переходу от a к b на рис. 2 можно способствовать, применяя силу, которая помогает растянуть исходную решетку в диагональном направлении от левого нижнего угла к правому верхнему. Эта сила может быть приложена при температуре выше AF, при которой решетка еще не преобразовывается самопроизвольно. Но таким образом предпочтение отдается только варианту b, а не c. Поведение можно изобразить как зависимость силы F от изменения длины Dl при заданной температуре, как показано на рис. 4.9.0003

Рисунок 4 – Зависимость между изменением длины Dl и приложенной силой F при температуре T выше AF. Когда преобразование завершено, сила снова быстро возрастает.

Перед началом преобразования требуется минимальное усилие. Но так как индуцируется только один вариант, интерференция между вариантами при охлаждении отсутствует и превращение может идти до конца при практически постоянной силе. При разгрузке восстанавливается исходная решетка, так как она наиболее устойчива без нагрузки. По этой причине его называют сверхэластичностью. Понятно, что сила, необходимая для преобразования решетки, возрастает с температурой, если устойчивость квадратной решетки по отношению к преобразованной увеличивается с отклонением от температуры МС.

Рисунок 5. Укладка плотноупакованных плоскостей в ГЦК-решетку, отмеченная тремя разными символами: большие незакрашенные кружки, большие и меньшие закрашенные кружки, соответствующие суммированию ABC. Также показан наименьший вектор a между соседними отверстиями и кратчайший вектор переноса b.

Это простое изображение на рис. 2 можно легко распространить на реальные трехмерные кристаллы. Существует большая группа сплавов на основе железа, которые имеют плотноупакованную гранецентрированную (ГЦК) структуру при повышенных температурах. Эта структура состоит из плотноупакованных плоскостей, в которых каждый атом окружен шестью соседями, как показано на рисунке 5 (большие незаштрихованные кружки). Плоскости уложены таким образом, что атомы соседней плоскости лежат в отверстиях, образованных первой (более крупные закрашенные кружки), а атомы следующей плоскости — в отверстиях первых двух (меньшие закрашенные кружки). Атомы на четвертом плане лежат тогда над атомами первого, и так далее. Это соответствует укладке ABCABC… Этот массив атомов также может быть описан повторением элементарной кубической ячейки с атомами на углах и на каждой грани куба.

Рис. 6. Две элементарные ячейки ГЦК с тетрагональной ячейкой меньшего размера, отмеченной в центре (слева). Однородным сжатием в направлении стрелок и расширением в плоскости, нормальной к ней, получается ОЦК структура (справа).

При охлаждении эта структура становится неустойчивой и трансформируется в объемно-центрированную кубическую (ОЦК) решетку. Элементарная ОЦК-ячейка представляет собой куб с атомами по углам и дополнительным атомом в центре. Преобразование от ГЦК к ОЦК можно рассматривать как однородное искажение, как на рис. 2. Это можно прояснить на рис. 6. На этом рисунке изображены две кубические ГЦК ячейки, а внутри них меньшая ячейка, содержащая атом в центр. Это телоцентрированная тетрагональная (bct) клетка. Однородным сжатием в вертикальном направлении, указанном стрелками, и расширением в плоскости, нормальной к ней, создается кубическая ОЦК-решетка без необходимости изменения объема ОЦТ-ячейки.

Рисунок 7. FCC и BCT

Одно из различий между двумя фазами заключается в том, что мартенсит имеет объемно-центрированную тетрагональную (ОЦК) кристаллическую структуру, тогда как аустенит имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру. Мартенсит имеет меньшую плотность, чем аустенит, поэтому мартенситное превращение приводит к относительному изменению объема.

Мартенсит не показан на диаграмме равновесного состояния системы железо-углерод, поскольку он не является равновесной фазой. Равновесные фазы образуются при медленных скоростях охлаждения, что дает достаточно времени для диффузии, тогда как мартенсит обычно образуется при быстрых скоростях охлаждения. Поскольку химические процессы (достижение равновесия) ускоряются при более высокой температуре, мартенсит легко разрушается при подводе тепла. Этот процесс называется темперированием. Поскольку закалку трудно контролировать, многие стали подвергают закалке для получения избытка мартенсита, а затем отпуску для постепенного снижения его концентрации до тех пор, пока не будет достигнута правильная структура для предполагаемого применения. Слишком много мартенсита делает сталь хрупкой, слишком мало – мягкой.

Равновесные фазы образуются при медленных скоростях охлаждения, что дает достаточно времени для диффузии, тогда как мартенсит обычно образуется при быстрых скоростях охлаждения. Этот процесс называется темперированием. Слишком много мартенсита делает сталь хрупкой, слишком мало – мягкой. Полученная мартенситная сталь чрезвычайно твердая, но очень хрупкая. Таким образом, мартенсит затем нагревают в процессе, называемом отпуском, в результате которого мартенсит частично превращается в феррит и цементит.

Рис. 8. Отметины на поверхности вследствие образования мартенситных пластин в монокристаллах Fe-Ni. Ширина рисунка соответствует 4 мм образца.

Мартенситное превращение оставляет также характерные следы на поверхности. На рис. 8 показан контраст поверхности вследствие частичного мартенситного превращения в железо-никелевом монокристалле. Темные полосы – следы мартенситных пластин, проросших через объем образца и пересекшихся с поверхностью, что привело к ее вздутию. Длинные образовались первыми, а между ними появились более короткие, рост которых тормозился длинными.

Рисунок 9. Мартенситная микроструктура в CuZnAl (M. Morin, INSA de Lyon)

Кристаллографический анализ показал, что мартенситные пластины имеют очень определенную ориентацию кристаллов по отношению к исходной структуре. Эти ориентационные отношения в настоящее время вполне могут быть объяснены феноменологическими теориями, впервые описанными Векслером, Либерманом и Ридом, а также Боулзом и Маккензи, обсуждаемыми в книге Нишиямы и в книге под редакцией Оцуки и Уэймана.

 

Вам также может понравиться

Диаграмма времени-температуры-преобразования (TTT) T (Время) T (Температура) T (Трансформация)…

Fe-Fe3C Диаграмма Т-Т-Т Диаграмма Fe-Fe3C TT-T, адаптирована из…

Бейнит Бейнит представляет собой игольчатую микроструктуру…

Термическая обработка стали Термическая обработка группа промышленных…

Мартенсит

О компании Верстак Инструментальная сталь Проекты Подъемный рубанок

Деревообрабатывающие звенья фракталы СПАМ Хайку Карта сайта Контакт Home

Мартенсит представляет собой объемно-центрированную тетрагональную форму железа, в которой растворено некоторое количество углерода. Мартенсит образуется при закалке, когда гранецентрированная кубическая решетка аустенита искажается в объемно-центрированную тетрагональную структуру без потери содержащихся в ней атомов углерода в цементит и феррит.

Вместо этого углерод сохраняется в кристаллической структуре железа, которая слегка растягивается, чтобы уже не куб. Мартенсит представляет собой более или менее пересыщенный углеродом феррит. Сравните размер зерна на микрофотографии с мартенситом отпуска.

Объемно-центрированная тетрагональная ячейка	Микрофотография мартенситной структуры

Мартенситное превращение: объяснение загадочных свойств

Разница между аустенитом и мартенситом в некотором смысле весьма мала: в то время как элементарная ячейка аустенит представляет собой совершенный куб, при превращении в мартенсит этот куб искажается так что он немного длиннее, чем раньше, в одном измерении и короче в двух других. Математическое описание этих двух структур совершенно различно по причинам симметрии.

но химическая связь остается очень похожей. В отличие от цементита, который имеет связь, напоминающую керамических материалов твердость мартенсита трудно объяснить с химической точки зрения. Объяснение зависит от тонкого изменения размеров кристалла и скорости мартенситного превращения. Аустенит превращается в мартенсит при закалке примерно со скоростью звука – слишком быстро для углерода. атомы выходят из раствора в кристаллической решетке. Возникающее в результате искажение элементарной ячейки приводит к бесчисленным решетка дислокаций в каждом кристалле, состоящем из миллионов элементарных ячеек. Эти дислокации формируют кристаллическую структуру Чрезвычайно устойчив к напряжению сдвига, а это означает, что его нельзя легко помять и поцарапать. Представьте разницу между разрезанием колоды карт (никаких дислокаций, идеальных слоев атомов) и разрушением кирпичной стены (даже без раствора).

Эта статья находится под лицензией GNU Free Documentation License.