Давайте разберемся, что представляет собой мартенсит и почему он так важен для металлургии.
1. Что такое мартенсит и кто его открыл
Итак, мартенсит - это особая микроструктура в закаленных сталях, которая придает им уникальную твердость и прочность. Впервые это явление было описано в конце XIX века немецким ученым Адольфом Мартенсом, в честь которого оно и получило свое название.
Мартенсит представляет собой упорядоченный пересыщенный твердый раствор углерода в железе, имеющий игольчатую или пластинчатую структуру.
Физическая природа образования мартенсита принципиально отличается от других структурных превращений в стали. Если при медленном охлаждении происходит диффузионный распад аустенита с образованием перлита и феррита, то превращение в мартенсит происходит по сдвиговому бездиффузионному механизму.
2. Структура мартенсита
Структура мартенсита имеет тетрагональную решетку, элементарная ячейка которой представляет собой вытянутый по одной из осей параллелепипед. Атомы железа располагаются в узлах этой решетки, а атомы углерода - в междоузлиях.
Различают два основных морфологических типа мартенсита:
- Пластинчатый (игольчатый) мартенсит с характерным "мидрибом" - полосой повышенной травимости, состоящей из множества двойников. Образуется при более низких температурах.
- Пакетный (реечный) мартенсит в виде тонких параллельных реек, разделенных прослойками остаточного аустенита. Возникает при более высоких температурах.
Тип мартенсита определяется температурой его образования, которая зависит от химического состава стали. В зависимости от состава в структуре может присутствовать мартенсит обоих типов.
3. Образование мартенсита
Мартенсит: температура превращения находится значительно ниже точки равновесного распада аустенита и происходит в определенном температурном интервале. Начало и конец этого интервала сильно зависят от легирующих элементов в стали.
При деформации в интервале температур мартенситного превращения происходит ускоренное образование мартенсита. Иногда превращению способствует даже упругая деформация. В некоторых сталях мартенсит может образовываться при комнатной температуре под действием пластической деформации.
Таким образом, мартенсит стали формируется в результате быстрого охлаждения или деформации, что приводит к закалке металла.
4. Свойства мартенситных сталей
Структура мартенсита является внутренне напряженной и неравновесной, что определяет уникальные свойства мартенситных сталей.
- Очень высокая твердость и прочность.
- Хрупкость и склонность к растрескиванию.
- Затрудненная обрабатываемость резанием.
- Сложность сварки из-за опасности появления трещин.
Поэтому после закалки мартенситные стали часто подвергают отпуску - нагреву до температур 150-650°C, что снижает внутренние напряжения и повышает пластичность.
5. Применение мартенситных сталей
Благодаря уникальному сочетанию твердости, прочности и износостойкости мартенситные стали широко используются для изготовления:
- Режущего инструмента - сверл, фрез, ножей
- Деталей, работающих в условиях абразивного износа
- Высоконагруженных деталей машин и механизмов
- Ответственных фасонных отливок сложной формы
6. Эффект памяти формы
Уникальное свойство мартенсита - это эффект памяти формы. Если деформировать сплав в мартенситном состоянии, а затем нагреть до температуры обратного превращения, он восстанавливает свою исходную форму.
Этот эффект используется в сплавах с эффектом памяти формы, которые применяются для изготовления термо- и электроприводов, элементов робототехники, хирургических инструментов и других устройств.
7. Перспективы применения мартенсита
В настоящее время интенсивно ведутся исследования новых составов мартенситных сталей и их применения в перспективных областях:
- Авиакосмическая промышленность
- Атомная энергетика
- Машиностроение будущего
Ученые также изучают возможность создания мартенситоподобных структур и эффекта памяти формы в других материалах - полимерах, керамике, композитах.
8. Проблемы мартенситных сталей
Несмотря на уникальные свойства, мартенситные стали имеют и недостатки, ограничивающие сферы их применения:
- Высокая стоимость из-за использования легирующих элементов и сложности производства
- Низкая технологичность, сложность механической обработки
- Необходимость термообработки для снятия внутренних напряжений
Кроме того, мартенситные стали обладают сравнительно невысокой коррозионной стойкостью и склонностью к хрупкому разрушению.
9. Пути решения проблем мартенситных сталей
Для решения этих проблем ведутся работы по нескольким направлениям:
- Разработка новых, более дешевых составов мартенситных сталей
- Создание оптимальных режимов термической и термомеханической обработки
- Изучение технологий упрочнения поверхности мартенситных сталей
- Поиск оптимальных областей применения, где недостатки не имеют критического значения
10. Будущее мартенситных сталей
Несмотря на имеющиеся сложности, у мартенситных сталей есть большое будущее. По мере решения технологических проблем, они будут все шире использоваться в авиации, космосе, машиностроении.
Особенно перспективны направления, связанные с эффектом памяти формы. Новые интеллектуальные материалы на основе мартенситных сплавов помогут создать технику нового поколения.
