Кристаллическая решетка мартенсита

Мартенсит

Под этим термином понимают завершённый полиморфный процесс преобразования внутренней структуры различных видов сталей. Именно преобразование кристаллической решётки и превращение её в игольчатую структуру получало название мартенсит. Подобные деформации приводят к изменениям свойства конкретной марки стали. Мартенситная сталь составляет основу многих марок стали, в которых требуется улучшить физические и механические характеристики. Например, отпущенный мартенсит значительно увеличивает пластичность готовой стали.

мтомд.инфо

Раздел: Материаловедение. Металловедение.

Данное превращение имеет место при высоких скоростях охлаждения, когда диффузионные процессы подавляются. Сопровождается полиморфным превращением Feγ в Feα.

При охлаждении стали со скоростью, большей критической (V > Vк), превращение начинается при температуре начала мартенситного превращения н) и заканчивается при температуре окончания мартенситного превращения (Мк). В результате такого превращения аустенита образуется продукт закалки – мартенсит.

Минимальная скорость охлаждения Vк, при которой весь аустенит переохлаждается до температуры тн и превращается, называется критической скоростью закалки.

Так как процесс диффузии не происходит, то весь углерод аустенита остается в решетке Feα и располагается либо в ценрах тетраэдров, либо в середине длинных ребер (рисунок 1).

Мартенсит – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Feα.

При образовании мартенсита кубическая решетка Feα сильно искажается, превращаясь в тетрагональную (рисунок 1, позиция а). Искажение решетки характеризуется степенью тетрагональности: с/а > 1. Степень тетрагональности прямопролорциональна содержанию углерода в стали (рисунок 1, позиция б).

Рисунок 1 — Кристаллическая решетка мартенсита. Влияние содержания углерода на параметры решетки мартенсита.

а — кристаллическая решетка мартенсита; б — влияние содержания углерода на параметры а и с решетки мартенсита

Механизм мартенситного превращения имеет ряд особенностей.

1. Бездиффузионный характер.

Превращение осуществляется по сдвиговому механизму. В начале превращения имеется непрерывный переход от решетки аустенита к решетке мартенсита (когерентная связь). При превращении гранецентрированной кубической решетки в объемно-центрированную кубическую атомы смещаются на расстояния меньше межатомных, т.е. нет необходимости в самодиффузии атомов железа.

2. Ориентированность кристаллов мартенсита.

Кристаллы имеют форму пластин, сужающихся к концу, под микроскопом такая структура выглядит как игольчатая. Образуясь мгновенно пластины растут либо до границы зерна аустенита, либо до дефекта. Следующие пластины расположены к первым под углами 60 o или 120 o , их размеры ограничены участками между первыми пластинами (рисунок 2).

Рисунок 2 — Ориентированность кристаллов мартенсита

Ориентированный (когерентный) рост кристаллов мартенсита обеспечивает минимальную поверхностную энергию. При когерентном росте, из-за различия объемов аустенита и мартенсита, возникают большие напряжения. При достижении определенной величины кристаллов мартенсита, эти напряжения становятся равными пределу текучести аустенита. В результате этого нарушается когерентность и происходит отрыв решетки мартенсита от решетки аустенита. Рост кристаллов прекращается.

3. Очень высокая скорость роста кристалла, до 1000 м/с.

4. Мартенситное превращение происходит только при непрерывном охлаждении.

Для каждой стали начинается и заканчивается при определенной температуре, независимо от скорости охлаждения. Температуру начала мартенситного превращения называют мартенситной точкой МН, а температуру окончания превращения – МК. Температуры МН и МК зависят от содержания углерода и не зависят от скорости охлаждения Для сталей с содержанием углерода выше 0,6 % МК уходит в область отрицательных температур (рисунок 3).

Рисунок 3 — Зависимость температур начала (Мн) и конца (Мк)мартенситного превращения от содержания углерода в стали

Мартенситное превращение чувствительно к напряжениям, и деформация аустенита может вызвать превращение даже при температурах выше МН.

В сталях с МК ниже 20 o С присутствует аустенит остаточный, его количество тем больше, чем ниже МН и МК (при содержании углерода 0,6…1,0 % количество аустенита остаточного – 10 %, при содержании углерода 1,5 % — до 50 %). В микроструктуре наблюдается в виде светлых полей между иглами мартенсита.

5. Превращение необратимое.

Получить аустенит из мартенсита невозможно. Свойства мартенсита обусловлены особенностями его образования. Он характеризуется высокой твердостью и низкой пластичностью, что обуславливает хрупкость.

Твердость составляет до 65 HRC. Высокая твердость вызвана влиянием внедренных атомов углерода в решетку α-фазы, что вызывает ее искажение и возникновение напряжений. С повышением содержания углерода в стали возрастает склонность к хрупкому разрушению.

Виды мартенсита

1. Пластинчатый или игольчатый (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 или иначе пакетный (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] .

Также существуют низкоуглеродистые мартенситные стали, в которых образуется мартенсит только реечного типа и отсутствует остаточный аустенит. Температура начала мартенситного превращения у таких сталей порядка 400 °C.

Реечный мартенсит обладает повышенной релаксационной способностью.

2 Что представляет собой мартенситное превращение в стали?

Такой полиморфный процесс предполагает то, что упорядоченное передвижение молекул либо атомов в составе кристалла вызывает модификацию их расположения по отношению друг к другу. Причем междуатомные расстояния в данном случае существенно больше, нежели показатели смещений относительного плана соседних атомов.

Деформации ячеек кристаллической решетки – это и есть ее перестройка, за счет чего окончание мартенситного преобразования вполне допускается описывать как однородно измененную начальную фазу. Отметим отдельно и то, что деформация имеет малую величину (не более 10 %). По этой причине энергетический барьер, который не дает развиваться однородному переходу начальной фазы в конечную, также невелик, если соотносить его с энергией связи в кристалле.

Описываемое нами превращение становится возможным только в том случае, когда постоянно присутствует упорядоченное взаимодействие между метастабильной и стабильной фазой. Повышенная подвижность и низкий энергетический потенциал межфазных границ обусловлены их упорядоченным строением.

Следствием этого становится то, что требуемая для появления кристаллов в новой фазе «лишняя» энергия, имеет малое значение. Ее вполне можно сопоставить с энергией «исходных» дефектов, имеющихся в начальной фазе. За счет такой особенности скорость образования мартенситных кристаллов является по-настоящему большой, причем, как правило, тепловых изменений для зарождения новых кристаллов не требуется.

Читайте также  Ту 14 1 1530 75

Мартенситные преобразования в комбинации с модификациями атомного порядка компонентов и их перераспределения являются базой для разнообразных структурных превращений, которые дают возможность изменять характеристики кристаллических материалов посредством их механической либо термической обработки.

В чём разница?

Ключевое различие между Аустенитной и Мартенситной нержавеющей сталью заключается в том, что кристаллическая структура Аустенитной нержавеющей стали представляет собой гранецентрированную кубическую структуру, тогда как кристаллическая структура Мартенситной нержавеющей стали представляет собой объемно-центрированную кубическую структуру.

Существует четыре основных группы нержавеющей стали в зависимости от кристаллической структуры стали: аустенитная, ферритная, мартенситная и двухфазная. М икроструктура этих сплавов зависит от присутствующих в них легирующих элементов. Т аким образом, эти сплавы также имеют различные легирующие элементы.

Содержание

  1. Обзор и основные отличия
  2. Что такое Аустенитная нержавеющая сталь
  3. Что такое Мартенситная нержавеющая сталь
  4. В чем разница между Аустенитной и Мартенситной нержавеющей сталью
  5. Заключение

Что такое Аустенитная нержавеющая сталь?

Аустенитная нержавеющая сталь — это тип нержавеющей стали, имеющий аустенит в качестве своей первичной кристаллической структуры. Данная кристаллическая структура аустенита является гранецентрированной кубической, в которой есть один атом в каждом углу куба, и есть один атом в каждой грани (в центре грани) . Получается такая структура с помощью добавления никеля, марганца и азота. Из-за своей кристаллической структуры аустенитные стали не подвергаются термообработке. Кроме того они являются немагнитными.

Структура Аустенитной нержавеющей стали

Аустенитная нержавеющая сталь подразделяется на два основных типа: 300 и 200. Первая приобретает аустенитную структуру после добавки никеля, тогда как во второй никель заменяют на марганец и азот. Нержавеющая сталь 300 имеет множество подтипов. Самой распространенной является тип 304 (она ещё называется как 18/8 или A2). Нержавеющая сталь 304 используется для изготовления кухонной утвари, столовых приборов, а также для изготовления кухонного оборудования. Следующая по распространенности является нержавеющая аустенитная сталь 316. Для повышения устойчивости к кислотам и для устойчивости к локальным воздействиям — она содержит молибден.

При добавлении азота в аустенитную нержавеющую сталь 200 — это придаёт ей большую механическую прочность по сравнении с аустенитной нержавеющей сталью серии 300.

Сплав 20 (Carpenter 20) — это аустенитная нержавеющая сталь, которая обладает стойкостью к горячей серной кислоте, а также к другим агрессивным средам. Сплав 20 обладает отличной стойкостью к коррозионному растрескиванию при кипении 20–40% серной кислоты. Этот сплав обладает отличными механическими свойствами. Кроме того, во время сварки, наличие ниобия в этом сплаве предотвращает выпадение карбидов.

Жаропрочные аустенитные нержавеющие стали предназначены для работы при высоких температурах — около 600 °C. Эти сплавы предотвращают коррозию и сохраняют механические свойства, такие как прочность (предел текучести), а также сохраняют сопротивление ползучести. Добавки кремния, а также алюминия. Коррозионная стойкость в этих сталях обеспечивается наличием хрома с кремнием, а также алюминием. В серосодержащих средах никель в этих сталях слабо помогает. Для предотвращения этого, добавляют Si и Al, образующие стабильные оксиды. Редкоземельные элементы, такие как церий, повышают стабильность оксидной пленки.
Аустенитные нержавеющие стали 309 и 310, предназначены для использования при высоких температурах — более 800 °C.

Аустенитная нержавеющая сталь испытывается с помощью метода неразрушающего контроля с использованием контроля проникающего красителя. Кроме того другой метод испытания — это вихретоковые испытания.

Что такое Мартенситная нержавеющая сталь?

Мартенситная нержавеющая сталь — это особый тип сплава из нержавеющей стали, который может быть закален и отпущен с помощью нескольких способов старения/термообработки. Типичным примером мартенситной нержавеющей стали является X46Cr13.

Структура Мартенситной нержавеющей стали

Характерная объемно-центрированная тетрагональная мартенситная микроструктура была впервые обнаружена немецким микроскопистом Адольфом Мартенсом около 1890 года. В 1912 году Элвуд Хейнс подал заявку на патент США на мартенситный сплав нержавеющей стали. Этот патент не выдавался до 1919 года. В 1912 году Гарри Брирли из исследовательской лаборатории Браун-Ферт в Шеффилде, Англия, в поисках коррозионно-стойкого сплава для стволов, открыл и впоследствии промышленно использовал мартенситный сплав из нержавеющей стали. Об этом открытии было объявлено через два года в январской газете 1915 года The «New York Times».

Обзор. Нержавеющие мартенситные стали могут быть высокоуглеродистыми или низкоуглеродистыми сталями, построенными на основе состава железа, от 12% до 17% хрома, углерода от 0,10% (тип 410) до 1,2% (тип 440C)

  • Нержавеющие мартенситные стали с углеродом
    до 0,4% из-за своих механических свойств используются в насосах, клапанах, валах.
  • Выше 0,4% — используются из-за их износостойкости в хирургических лезвиях, для столовых приборов, в пластиковых литьевых формах).

Они могут содержать некоторое количество Ni (тип 431), более высокое содержание Cr и/или Мо, тем самым улучшая коррозионную стойкость и, поскольку содержание углерода также мало, ударная вязкость улучшается. Марка EN 1.4313 (CA6NM) с низким содержанием C, 13% Cr и 4% Ni обеспечивает хорошие механические свойства, хорошую способность к заливке, хорошую свариваемость и хорошую устойчивость к кавитации. Она используется почти для всех гидроэлектрических турбинах в мире. Добавки B, Co, Nb, Ti улучшают высокотемпературные свойства, в частности сопротивление ползучести (используется для теплообменников в паровых турбинах). Особый сорт — тип 630 (также называемый 17/4 PH), который является мартенситным и затвердевает при осаждении при 475 °C.

Механические Свойства. Они закаливаются термической обработкой (в частности, закалкой и снятием напряжений или закалкой и отпуском. Состав сплава и высокая скорость охлаждения закаливания обеспечивают образование мартенсита. Мартенсит обладает низкой ударной вязкостью и, следовательно, хрупок. Закаленный мартенсит придает стали хорошую твердость и высокую ударную вязкость, в основном используется для медицинских инструментов.

Обработка. Когда при изготовлении требуются формуемость и мягкость, используется сталь с максимальным содержанием углерода 0,12%. При увеличении содержания углерода возможно упрочнение и отпуск при достижении предела прочности при растяжении в диапазоне от 600 до 900 Н/мм2 в сочетании с разумной вязкостью и пластичностью. В этих условиях эти стали находят много полезных общих применений, где требуется умеренная коррозионная стойкость. Кроме того, с более высоким диапазоном содержания углерода в закаленном и слегка отпущенном состоянии может быть достигнут предел прочности на разрыв около 1600 Н/мм2 с пониженной пластичностью.

Контроль. Мартенситная нержавеющая сталь может быть подвергнута неразрушающему контролю с использованием метода магнитного контроля частиц , в отличие от аустенитной нержавеющей стали.

Мартенситные нержавеющие стали в зависимости от их содержания углерода подразделяются на:

  • Коррозионно-стойкие технические стали, используемые в различных областях машиностроения для изготовления: насосов, клапанов, валов лодок.
  • Стойкие к коррозии стали: столовые приборы, медицинские инструменты (скальпели, бритвы и внутренние зажимы), подшипники (шарикоподшипники), лезвие бритвы, литьевые формы для полимеров, тормозные диски для велосипедов и мотоциклов

В чем разница между Аустенитной и Мартенситной нержавеющей сталью?

Аустенитная нержавеющая сталь — это форма сплава нержавеющей стали, которая обладает исключительной коррозионной стойкостью и впечатляющими механическими свойствами, в то время как мартенситные нержавеющие стали — это сплав, в котором больше хрома и обычно в нем нет никеля. Ключевое различие между аустенитной и мартенситной нержавеющей сталью состоит в том, что кристаллическая структура аустенитной нержавеющей стали представляет собой гранецентрированную кубическую структуру, тогда как для мартенситной нержавеющей стали это объемно-центрированная кубическая структура.

Читайте также  Вал для циркулярной пилы

Кроме того, еще одно различие между аустенитной и мартенситной нержавеющей сталью состоит в том, что аустенитная нержавеющая сталь содержит никель, а мартенситная нержавеющая сталь — нет. Содержание никеля в аустенитной нержавеющая стали составляет от 8 до 10%. Кроме того, аустенитная нержавеющая сталь является диамагнитной, а мартенситная форма — ферромагнитной.

Заключение — Аустенитная и Мартенситная нержавеющая сталь

Аустенитная нержавеющая сталь — это сплав нержавеющей стали, который обладает исключительной коррозионной стойкостью и впечатляющими механическими свойствами, в то время как Мартенситные нержавеющие стали — это сплав, в котором больше хрома и обычно в нем нет никеля. Ключевое различие между Аустенитной и Мартенситной нержавеющей сталью состоит в том, что кристаллическая структура Аустенитной нержавеющей стали является гранецентрированной кубической структурой, тогда как кристаллическая структура Мартенситной нержавеющей стали является объемно-центрированной кубической структурой.

Виды мартенсита

1. Пластинчатый или игольчатый (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 или иначе пакетный (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] .

Также существуют низкоуглеродистые мартенситные стали, в которых образуется мартенсит только реечного типа и отсутствует остаточный аустенит. Температура начала мартенситного превращения у таких сталей порядка 400 °C.

Реечный мартенсит обладает повышенной релаксационной способностью.

Виды мартенсита [ | ]

1. Пластинчатый или игольчатый (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 или иначе пакетный (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] .

Также существуют низкоуглеродистые мартенситные стали, в которых образуется мартенсит только реечного типа и отсутствует остаточный аустенит. Температура начала мартенситного превращения у таких сталей порядка 400 °C.

Реечный мартенсит обладает повышенной релаксационной способностью.

Виды мартенсита [ править ]

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 °C.

Реечный мартенсит обладает повышенной релаксационной способностью.

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).