مارتنزیت – Martensite

مارتنزیت – Martensite -مارتنزیت توفالی – مارتنزیت صفحه ای – Yrria-stabilized zirconia

مارتنزیت

مارتنزیت – Martensite- فازی است که با یک تبدیل بدون پراکندگی، و برشی آستنیت در فولادها شکل می گیرد. و ساختار اصلی فولادهای سخت شده است. از آنجایی که مارتنزیت در شرایط تعادل شکل نمی گیرد، در نمودار آهن – کربن نیز نشان داده نمی شود. بطور کلی برای ایجاد مارتنزیت باید یک خنک کاری سریع تا زیر دمای بحرانی پایین (A1) انجام شود. همانطور که از نمودار آهن – کربن انتظار می رود اگر فولاد تا زیر دمای A1 گرم شود. مارتنزیت در نهایت به فازهای سمنتیت و فریت تجزیه می شود.

خواص

مارتنزیت در فولادهای کربنی با خنک کردن سریع (quenching) آهن با ساختار آستنیتی بدست می آید. سرعت این خنک کاری بقدری بالا است. که اتم های کربن فرصت لازم برای پخش شدن به مقادیر کافی در ساختار کریستالی. و تشکیل سمنتیت (Fe3C) را پیدا نمی کنند. آستنیت آهن فاز گاما (Y-Fe)، یک محلول جامد از آهن و عناصر آلیاژی است. آستنیت با ساختار مکعب مربعی مرکز-وجهی (FCC)، پس از کوئنچ شدن (خنک کاری بسیار سریع). به ساختاری مکعب مستطیلی مرکز بدنی (bct) شدیداً کشیده شده به نام مارتنزیت تبدیل می شود. که با کربن، فوق اشباع شده است. تغییر شکل ایجاد شده تعداد زیادی نابجایی (dislocation) ایجاد می کند. که مکانیزم اصلی سخت شدن فولادها است. بالاترین سختی فولادی پرلیتی نهایتاً می تواند 400 برینل باشد. در حالی که سختی فولادهای مارتنزیتی تا 700 برینل نیز می رسد.

واکنش مارتنزیتی در هنگام خنک شدن شروع می شود، یعنی زمانی که آستنیت به دمای شروع مارتنزیت (Ms) می رسد. و آستنیت مادر به طور مکانیکی ناپایدار می شود. وقتی نمونه کوئنچ می شود. درصد قابل توجهی از آستنیت به مارتنزیت تبدیل می شود. تا زمانی که دمای کمتر از تبدیل (Mf) به دست آید، که در آن زمان تبدیل به پایان می رسد.

در فولاد یوتکتوئید (یعنی فولاد حاوی 78 درصد کربن)، 6 تا 10 درصد از آستنیت. که آستنیت حفظ شده نامیده می شود، باقی خواهد ماند. درصد آستنیت حفظ شده از مقدار ناچیزی برای فولادهای حاوی 6 درصد کربن افزایش یافته. و به 13 درصد آستنیت حفظ شده در فولاد حاوی 95 درصد کربن خواهد رسید. مقدار آستنیت حفظ شده برای فولاد کربنی حاوی 1.4 درصد کربن به 30 تا 47 درصد می رسد. برای ایجاد مارتنزیت، نیاز به یک خنک کاری بسیار سریع داریم. در یک قطعه فولاد کربنی یوتکتیک با مقطع نازک. اگر کوئنچینگ از دمای 750 درجه سلسیوس تا دمای 450 درجه سلسیوس در 0.7 ثانیه اتفاق بیفتد. (یعنی با نرخ 430 درجه سلسیوس بر ثانیه)، هیچ پرلیتی ایجاد نخواهد شد. و یک فولاد مارتنزیتی با مقدار کمی آستنیت حفظ شده خواهیم داشت.

در فولادهای حاوی 0 تا 0.06 % کربن، Martensite ظاهری شبیه به توفال دارد. و به همین دلیل به آن مارتنزیت توفالی (lath martensite) گفته می شود. در فولادهایی با بیش از 1 درصد کربن، مارتنزیت ساختاری شبیه به ورق یا صفحه دارد. و به همین دلیل مارتنزیت صفحه ای (Plate martensite) خوانده می شود. بین این دو درصد، ظاهر فیزیکی دانه ها مخلوطی از هر دو است. هرچه مقدار آستنیت حفظ شده رشد می کند، استحکام مارتنزیت کاهش می یابد. اگر نرخ خنک سازی کمتر از نرخ خنک سازی بحرانی باشد، مقدار کمی پرلیت تشکیل خواهد شد. این پرلیت از مرزهای دانه شروع به رشد کرده و به سمت داخل داه حرکت خواهد کرد. تا زمانی که درجه حرارت به Ms برسد. سپس آستنیت باقی مانده با سرعتی نزدیک به نصف سرعت صوت در فولاد تبدیل به مارتنزیت می شود.

در برخی فولادهای آلیاژی خاص، Martensite را می توان از طریق شکل دهی فولاد در دمای Ms. و سپس کوئنچ کردن آن تا زیر دمای Ms و سپس شکل دهی. به آن به صورت تغییر شکل پلاستیک تا زمانی که سطح مقطع. به 20 تا 40 درصد سطح مقطع قطعه اولیه برسد، تولید کرد. این فرآیند می تواند باعث افزایش چگالی نابجایی ها تا 10 به توان 13 عدد در هر سانتیمتر مربع شود. تعداد زیاد این نابجایی ها به همراه رسوبات ایجاد شده که این نابجایی ها را به محل میخ می کنند. باعث تولید این فولاد بسیار سخت می شود. این شیوه به طور معمول در تولید سرامیک های سخت. مانند زیرکونیا اتریا-ثاتب (Yrria-stabilized zirconia) یا تولید فولادهای خاص مانند فولاد های TRIP استفاده می شود. در نتیجه، مارتنزیت را می توان هم با روش های گرمایی و هم با روش های تنشی ایجاد کرد.

یکی از تفاوت های فازهای آستنیت و مارتنزیت این است. که Martensite دارای ساختار بلوری مکعب مستطیلی مرکز بدنی (bct) است. در حالی که آستنیت دارای ساختار مکعب مربعی مرکز وجهی (FCC) است. انتقال بین این دو ساختار نیاز به انرژی فعال سازی حرارتی بسیار کمی دارد. زیرا این یک تبدیل بدون پراکندگی است. که منجر به بازسازی ظریف اما سریع موقعیت اتمی می شود و حتی در دماهای کرایوژنیک نیز دیده می شود. مارتنزیت دارای چگالی کمتری نسبت به آستنیت است. پس مارتنزیتی شدن آستنیت منجر به تغییر نسبی حجم می شود. بسیار مهم تر از تغییر حجم، کرنش برشی است. که مقداری حدود 0.26 دارد و تعیین کننده شکل صفحات مارتنزیت است.

Martensite در نمودار فازی تعادل سیستم آهن – کربن نشان داده نمی شود. زیرا فاز تعادلی نیست. فازهای تعادلی با سرعت آهسته خنک کردن شکل می گیرند که زمان کافی برای نفوذ دارند. در حالی که Martensite معمولاً با نرخ خنک کردن بسیار بالا شکل می گیرد. از آنجاییکه فرآیندهای شیمیایی (دستیابی به تعادل) در دمای بالاتر تسریع می شوند. مارتنزیت به راحتی توسط گرمادهی تخریب می شود. این فرآیند گرمادهی نامیده میشود. در بعضی از آلیاژها، این فرایند بر اثر اضافه شدن عناصری مانند تنگستن. که باعث ایجاد مزاحمت برای هسته سمانتیت می شود.

کاهش می یابد. اما بیشتر از آن، هسته سمانتیت اجازه می دهد که فشار از بین برود. از آنجا که خنک کردن ممکن است کنترل کردنش دشوار باشد. بسیاری از فولادها برای تولید بیش از حد Martensite خنک می شوند. و سپس به تدریج آنها را گرمادهی می کنند. تا زمانی که ساختار ترجیحی برای کاربرد مورد نظر به دست آید. ریزساختار سوزنی مارتنزیت منجر به رفتار شکننده مواد می شود. مارتنزیت بیش از حد فولاد را ترد می کند و مارتنزیت کم آن را نرم می کند.

عملیات حرارتی

دمای شروع تحول مارتنزیت عملکردی از ترکیب شیمیایی آستنیت است. رابطه بین Ms و ترکیب شیمیایی توسط معادله تجربی زیر ارائه شده است.

جایی که مقدار عنصر به وزن مرتبط است. معادله فوق وابستگی بسیار شدیدی از Ms به میزان کربن و وابستگی کمتر Ms. به عناصر آلیاژی منگنز، کروم، نیکل و مولیبدن را نشان می دهد. که غالباً برای بهبود سختی پذیری اضافه می شوند. هنگامی که درجه حرارت Ms از ترکیب فولاد با محتوای یکنواخت کربن. یا در یک نقطه از کربن برقی محاسبه می شود. مقدار مارتنزیت که در خنک کننده تا دمای فرونشست معین، Tq تشکیل می شود. می توان از این طریق تخمین زد:

جایی که fm کسری از حجم مارتنزیت است، و ΔT زیر مجموعه ای از Ms است.

مارتنزیت می تواند در دماهای نزدیک به صفر مطلق و با سرعتی بیش از 1000 متر بر ثانیه رشد کند. رابط تبدیل پس از آن باید دارای ساختاری باشد که گلسیسیل (glissile) و غیره باشد. که ساختاری که نیازی به انتشار نداشته باشد. فقط واسط های منسجم یا نیمه همسان می توانند گلسیسیل (glissile) باشند. یک رابط نیمه هماهنگ شامل جابجایی هایی خواهد بود که بطور دوره ای ناصحیح رابط را تصحیح می کنند. برای مارتنزیت، فقط یک دسته از جابجایی ها وجود دارد که می توانند چندین آرایه تداخل ایجاد کنند.

این منطق ساده دلالت بر این دارد که برای مارتنزیت. رابط نیمه هادی باید یک خط داشته باشد که توسط فشار تحول بدون تحریف و محافظت نشده باقی بماند. این خط ثابت است که بردار خط جابجایی های بینابینی را تعریف می کند. بردار برگردهای جابجایی رابط بطور کلی باید از صفحه رابط خارج باشد تا بتواند به عنوان پیشرفت مرز حرکت کند.

اشکال مختلف مارتنزیت در فولادها

پارامتر تعیین کننده نوع مارتنزیت دمای تشکیل آن است. بدین صورت که اگر دمای Ms زیر یک دمای بحرانی باشد. مارتنزیت حاصل عمدتاً از نوع بشقابی است. در غیر این صورت مارتنزیت لایه ای تشکیل می شود. از آنجا که دمای Ms یک فولاد توسط درصد کربن آن کنترل می شود، بنابراین نوع مارتنزیت نیز توسط درصد کربن مشخص می شود.

بنابراین مارتنزیت ها به سه دسته زیر تقسیم می شوند

1- مارتنزیت بشقابی

2- مارتنزیت لایه ای

3- مارتنزیت مختلط (ترکیبی از مارتنزیت بشقابی و مارتنزیت لایه ای)

مارتنزیت بشقابی

Martensite بشقابی شکل در فولادهای پر کربن بیش از 1 درصد و همچنین آلیاژهای آهنی. به عنوان مثال Fe – %33.5Ni بوجود می آید. میکروساختار یاد شده از تیغه های درشت و سوزنی شکل مارتنزیتی. که توسط مقدار زیادی آستنیت باقی مانده احاطه شده است. مارتنزیت بشقابی (Plate Martensite) شکل را فولادهای پر کربن و هم چنین آلیاژهای آهنی دیگر به وجود می آید. این میکروساختار از تیغه درشت و سوزنی شکل Martensite. که اغلب توسط مقدار زیادی آستنیت باقی مانده احاطه شده اند، تشکیل شده است.

بی نظمی آرایش تیغه های مارتنزیت در این ساختار، مستقیماً به صفحات رابط متعدد با اندیس های کاملاً متفاوت. در فولادهای پر کربن، مربوط می شود. بر خلاف فولادهای کم کربن، در فولادهای پر کربن تیغه های Martensite. ابتدا مستقل از یکدیگر روی صفحات رابط مشخص به وجود می آیند. و در ادامه انجام دگرگونی، تیغه های جدید Martensite. از تیغه های قبلی شروع یا به آنها ختم می شوند. یک نتیجه بسیار مهم ناشی از تشکیل تیغه های متقاطع مارتنزیتی در آلیاژهای آهن – کربن. عبارت از ایجاد ترک های مویی در اثر برخورد تیغه های یاد شده با یکدیگر است.

ترک های مویی تمایل دارند که در بزرگترین تیغه های Martensite تشکیل شوند. بنابراین در فولادهای ریزدانه، از آنجایی که تیغه های Martensite ظریف تر هستند. امکان تشکیل ترک های مویی کاهش می یابد. مارتنزیت بشقابی در فولادهای پر کربن نسبتاً شکننده بوده و به ترک های مویی حساس است. در آلیاژهای آهن – نیکل، مارتنزیت از انعطاف پذیری بیشتری برخوردار است. بنابراین تلاقی و برخورد واحدهای منفرد مارتنزیتی با یکدیگر منجر به شکسته شدن آنها. با ایجاد ترک های مویی در آنها نخواهد شد.

مارتنزیت لایه ای

از مشخصه های مهم میکروساختار مارتنزیت لایه ای (Lath Martensite) شکل. موازی قرار گرفتن تعداد زیادی لایه مارتنزیتی در نواحی وسیعی از دانه های آستنیت اولیه است. درصد کربن زیر (0.6). هر کدام از نواحی یاد شده از یک سری صفحات موازی تشکیل شده اند. که به بسته Martensite موسوم است. با کاهش درصد کربن فولاد، تمایل به تشکیل بسته های Martensite افزایش می یابد. واحدهای منفرد تشکیل دهنده Martensite لایه ای شکل بسیار ریزند. ولی در عین حال Martensite در میکروساختار سوزنی می باشد. مطالعات نشان داده اند که با کاهش درصد کربن ابعاد لایه های Martensite کاهش می یابد.

مارتنزیت مختلط

در آلیاژهای آهن – کربن با 0.6 تا 1 درصد کربن. هر دو نوع Martensite لایه ای و بشقابی در کنار یکدیگر به وجود می آیند. در گستره فوق با افزایش درصد احتمال تشکیل Martensite بشقابی افزایش می یابد. هم چنین با افزایش درصد کربن، واحدهای منفرد Martensite تشکیل شده نیز درشت تر می شوند. از طرف دیگر، مقدار Martensite لایه ای شکل کاهش خواهد یافت. پارامتر تعیین کننده نوع Martensite دمای تشکیل آن است.

بدین صورت که اگر دمای Ms زیر یک دمای بحرانی باشد، Martensite حاصل عمدتاً از نوع بشقابی است. در غیر اینصورت، Martensite لایه ای شکل به وجود می آید. از آنجایی که دمای Ms یک فولاد توسط درصد کربن آن کنترل می شود. بنابراین می توان گفت که نوع Martensite نیز توسط درصد کربن مشخص می شود. از این رو، بر اساس درصد کربن فولاد یک گستره دمایی. برای تشکیل مخلوط Martensite بشقابی و لایه ای شکل (Martensite مختلط) وجود دارد. برای فولادهای کربنی ساده گستره دمایی فوق تقریباً بین 200 تا 320 درجه سانتی گراد است.

فولاد رسول دلاکان

با سالها تجربۀ ارزشمند و گرانبها در عرصه تأمین و توزیع انواع ورق آلیاژی و انواع فولاد آلیاژی. با گواهینامه ها و آنالیزهای معتبری که ضمیمه محصولاتش به مشتریان خویش ارائه داده است. توانسته رضایتمندی مشتریان خویش را همواره فراهم آورد.

صنعتگر شریف و گرامی از اینکه ما را جهت خرید کالا (فولاد آلیاژی) مورد نیاز خویش. انتخاب می نمایید از شما سپاسگزاریم.

ارتباط با ما
09122136675 – 02128423820-09922704358
واتس آپ: 09122136675
اینستاگرام: fooladdalakan
ایمیل : [email protected]