Мартенсит - что же это такое?

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:

1. Пластинчатый (игольчатый) мартенсит с характерным "мидрибом" - полосой повышенной травимости, состоящей из множества двойников. Образуется при более низких температурах.
2. 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:

1. Разработка новых, более дешевых составов мартенситных сталей
2. Создание оптимальных режимов термической и термомеханической обработки
3. Изучение технологий упрочнения поверхности мартенситных сталей
4. 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.