Мартенсит — структура, кристаллическая решетка, твердость

Мартенситные стали представляют собой хромистые сплавы, структура которых состоит в основном из мартенсита. В них содержится обычно не менее 0,15 процентов углерода, от 11 до 17 процентов хрома, а также незначительное количество таких элементов, как никель, вольфрам, ванадий и молибден.

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.

Свойства мартенсита

Характерной особенностью мартенсита является его высокая твердость и прочность. Чем больше в стали и, естественно, в мартенсите углерода, тем

Рис. 5.14. Влияние углерода на твердость мартенсита

больше степень тетрагональности (искаженности) его кристаллической решетки, тем больше сопротивление пластической деформации, а следовательно, выше твердость (рис. 5.14) и прочность.

При повышении концентрации углерода в стали до 0,6…0,7% и более твердость возрастает до 65…66 HRC. Предел прочности (временное сопротивление σв) мартенсита при такой же концентрации углерода достигает 2400…2600 МПа. Это в 2,5 раза выше прочности малоуглеродистого мартенсита, содержащего 0,015% углерода (до 1000 МПа). Вместе с тем мартенсит обладает низкой пластичностью. C увеличением содержания углерода возрастает его склонность к хрупкому разрушению; в испытаниях на растяжение стали разрушаются хрупко уже при содержании углерода более 0,35%.

Мартенсит имеет наибольший удельный объем по сравнению с аустенитом и другими фазами стали. Поэтому мартенситное превращение протекает с увеличением объема, которое является одной из основных причин возникновения при закалке сталей значительных напряжений и, как следствие, деформации стальных изделий или даже образования трещин.

Свойства сталей с мартенситной структурой

Стали с мартенситной структурой, кроме высокого содержания углерода, характеризуются также наличием в составе хрома. Такие стали нередко легируются элементами, которые способны обеспечить высокую жаропрочность металла (вольфрам, молибден, ниобий и др.).

Химический состав хромистых мартенситных сталей

Стали, внутреннюю структуру которых формирует мартенсит, отличаются следующими особенностями:

• высокой коррозионной устойчивостью по отношению к повышенной влажности, щелочным и кислотным средам;
• высокой жаропрочностью (если сплавы данной категории подвергнуть закалке при температуре 10500, а затем выполнить отпуск на троостит или сорбит);
• такой полезной характеристикой, как самозакаливание;
• высокой твердостью при достаточно невысокой пластичности (что характерно, на твердость мартенсита, которой изначально обладают такие сплавы, практически не оказывают влияние легирующие элементы, вводимые в их состав);
• повышенной устойчивостью к воздействию водорода (этим отличаются отдельные марки таких сталей, в частности Х5М, Х5ВФ и Х9М);
• устойчивостью к обработке резанием из-за высокой твердости.

Механические свойства мартенситных сталей

Поскольку стали с мартенситной структурой после их закалки становятся очень хрупкими и склонными к разрушению, технология их сварки значительно усложняется. Выполнять эту процедуру можно только после того, как изделие из такой стали нагреется до 200–4500, при этом важно, чтобы температура окружающего воздуха была выше нуля. Кроме ручной дуговой сварки, проводимой с использованием электродов, покрытых специальными составами, для соединения изделий из таких сплавов применяют следующие технологии:

Рекомендуемые режимы сварки мартенситных сталей

Если говорить о сферах применения, то стали мартенситной группы используют для производства таких изделий, как:

• корпуса и роторы для комплектации газовых, а также паровых турбин;
• детали сварочных аппаратов, сосудов различного назначения, работающих под давлением, не превышающим 16 МПа;
• диафрагмы для оснащения паровых турбин;
• детали и комплектующие для производства насосного оборудования;
• лопатки, которыми оснащаются паровые турбины;
• пружины различного назначения;
• детали трубопроводов, коллекторов, котлов, которые в процессе эксплуатации подвергаются значительному нагреву;
• инструменты различного назначения – измерительные, режущие и хирургические;
• пластины, которыми оснащают компрессоры.

Мартенситное превращение

Мартенсит образуется только в среде аустенита. Причиной, по которой происходит данная трансформация, является наличие большого количества свободной энергии аустенитом. Катализатором процесса превращения служит температура, которая в зависимости от химического состава стали должна находиться на уровне 500-700 ºC.

Также доказано, что мартенситное превращение тесно связано с центрами кристаллизации, которые образуются при повышении температуры. Они стимулируют рост кристаллов, уплотняя атомы и увеличивая, соответственно, прочностные свойства стали. Данный процесс не требует большого количества энергии и активируется при достаточно низкой температуре.

Рост кристаллов происходит до тех пор, пока какой-либо из атомарных слоев входит как в мартенситную, так и в аустенитную кристаллическую решетку. Причем между данными структурами не должно быть разделительной поверхности.

В противном случае образуется сдвиг одной фазы относительно другой, что вызывает появление значительного количества напряжения на их границе. Напряженность провоцирует появление упругих деформаций, как следствие кристаллы (иглы) останавливают свой рост.

При трансформации аустенита в мартенсит не происходит образование новых химических соединений. Этот процесс структурный. Атомы меняют свое местоположение, что влияет на тип и размеры кристаллической решетки.

Мартенситное превращение требует наличия постоянного переохлаждения. Также стоит заметить, что увеличение объема структуры происходит не за счет роста отдельных игл, а по причине образования новых, меньших с точки зрения размеров кристаллов, мартенсита.

Среди особенностей мартенситного превращения выделяется то, что аустенит не может полностью перейти в мартенсит. Бывают исключения — стали, точка перехода аустенита в мартенсит которых лежит ниже нуля. Но в большинстве случаев всегда имеется некоторый объем аустенитных фаз, не претерпевших своих структурных изменений. Связано это с физическими особенностями железа и углерода.

Трансформация аустенита в мартенсит относится к одним из базовых структурных изменений не только у сталей, но и у сплавов на основе титана и меди.

Виды мартенсита

В зависимости от степени нагрева и температуры охлаждаемой среды получают различные типы мартенсита. Существуют следующие его основные виды:

• Пластинчатый мартенсит
• Реечный мартенсит.

Каждый из них имеет свои особенности и соответственно механические свойства.

Пластинчатый мартенсит наблюдается в основном в высокоуглеродистых конструкционных сталях. Он образуется в результате закалки и характеризуется наличием мартенситом формы в виде пластин. Предел прочности на разрыв такого мартенсита может доходить до 900 Мпа. Твердость до 75 HRC.

Реечный мартенсит получается в результате улучшения (закалка с высоким отпуском) легированных сталей. Структура данного типа имеет форму реек размером до 2 мкм. Такой вид мартенсита отличается большей износостойкостью и лучшей динамической вязкостью.

При соблюдении определенного режима температур структура стали может содержать мартенсит как реечного, так и пластинчатого типа.

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.

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.

3 Мартенситные стали – описание, особенности

Такие хромистые стали имеют в своем составе достаточно высокое содержание углерода. Кроме того, зачастую они легируются молибденом, ниобием, вольфрамом и иными компонентами, которые обеспечивают высокие жаропрочные показатели конечного металла.

Особенности сталей, относимых к мартенситному классу:

• высокий уровень противодействия коррозии в растворах щелочей, некоторых кислотных растворах, в условиях повышенной влажности;
• высокая жаропрочность: данную полезную способность мартенситный металл получает в том случае, когда выполняется его закалка при температурах около 1050 градусов, а затем и отпуск на троостит либо сорбит;
• способность к самозакаливанию;
• малая пластичность при высоком показателе твердости, на которую не оказывают никакого влияния, дополнительно вводимые в сплав легирующие элементы;
• высокая водородоустойчивость, свойственная таким маркам стали, как Х5ВФ, Х5М, Х9М;
• сложность обработки мартенситного металла резанием.

Популярные марки мартенситных стальных сплавов:

• 20Х13: в нем содержится от 12 до 14 % хрома, менее 0,8 % марганца и кремния, от 0,16 до 0,25 % углерода, такая сталь не легируется никелем;
• 10Х12НДЛ: особенность – большое содержание никеля (от 1 до 1,5 %);
• 18Х11МНФБ: не более 11,5 % хрома, от 0,5 до 1 % никеля, до 0,21 % углерода, от 0,8 до 1,1 % молибдена;
• 12Х11В2МФ, 10Х9МФБ, 13Х11Н2В2МФ, 15Х11МФ: легируются ванадием (от 0,18 до 0,4 %) и молибденом (от 0,35 до 1,1 %) в дополнение к стандартным добавкам.

Используются описываемые стали для производства:

• роторов и корпусов газовых и паровых турбин;
• сварных аппаратов и сосудов с нагрузками не более 16Мпа;
• диафрагм турбин (паровых);
• составляющих насосного оборудования;
• лопаток турбин, работающих на пару;
• пружин;
• подвергающихся нагреву поверхностей коллекторов, котлов, трубопроводов;
• хирургического, измерительно и режущего инструмента;
• пластин компрессоров с клапанами.

Технология сварки сталей описываемого класса достаточно сложна, что вызвано склонностью таких металлов после процедуры закалки к хрупкому разрушению. Их следует сваривать после предварительного нагрева до 200–450 °С, причем температура окружающего воздуха должна быть плюсовой. Как правило, металлы мартенситной группы свариваются методом ручной дуговой сварки с применением электродов, покрытых спецсоставами. Реже используются другие виды сварки:

• электрошлаковая;
• аргонодуговая;
• под флюсом.

Ссылки

• Энциклопедия «Кругосвет»
• Зотов О. Г., Кисельников В. В., Кондратьев С. Ю. Физическое металловедение. СПБГТУ, 2001
• Б. А. Билби 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.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...

Читайте также:

Цементация стали в домашних условиях гра... Как расплавить медь в домашних условиях... Нержавеющие стали — свойства, характерис... Рессорно-пружинные стали — конструкционн...