مارتنزیت

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو
مارتنزیت در فولاد AISI 4140
0.35%Cفولاد خنک شده در اب از ۸۷۰ °C

مارتنزیت، که به نام متالورژیست آلمان آدولف مارتنز (۱۸۵۰–۱۹۱۴) نامیده می‌شود، به شکل بسیار سختی از ساختار کریستالی فولاد گفته می‌شود اما می‌توان به هر ساختار بلوری که توسط استحاله ی بدون نفوذ به وجود آمده،[۱] گفته می‌شود؛ که شامل یک کلاس از مواد معدنی سخت که دارای دانه‌های کریستالی بشقاب یا توفال شکل هستند، می‌شود.

ریشه لغوی[ویرایش]

مارتنزیت از نام متالورژیست آلمانی آدولف مارتنز گرفته شده‌است.که بیش از حد وی در مهندسی مواد توسط فلوریس اسموند شناخته شد (که مارتنزیت را جزء اجزای متالوگرافی ناشی از فرونشانی فولادها قرار داد). در سال 2000، ISO مقدار بدست آمده از روش دندانه گذاری ابزاری را به عنوان سختی مارتنز تعیین كرد.

خواص[ویرایش]

مارتزیت در فولادهای کربنی به وسیلهٔ خنک کردن سریع (quenching) آستنیت با سرعت بسیار بالا به دست می‌آید که اتم‌های کربن زمان لازم برای نفوذ در ساختار کریستالی برای تشکیل سمنتیت (Fe3C) پیدا نمی‌کنند. آستنیت (γ-Fe، آهن گاما)، یک محلول جامد از آهن و عناصر آلیاژی است. تشکیل مارتنزیت همواره همراه با مقدار قابل ملاحظه ای تغییر شکل مومسان در فاز آستنیت مادر است. تنش یا نیروی عکس‌العمل حاصل از تغییر شکل مومسان آستنیت بر روی بلور مارتنزیت، رشد بلور مارتنزیتی را محدود کرده و ادامهٔ دگرگونی فقط با جوانه زنی بلورهای جدید مارتنزیت امکان‌پذیر است. صفحاتی از بلورهای آستنیت که بلورهای مارتنزیتی ترجیحاً بر روی آن‌ها تشکیل می‌شود به صفجات رابط موسومند. اگر فاز آستنیت نتواند تغییر شکل‌های مومسان حاصل از برش‌های مارتنزیت را تحمل کند در فصل مشترک مارتنزیت - آستنیت مادر جدایش یا ترک خوردگی ایجاد می‌گردد. در نتیجه خنک کردن سریع، آستنیت FCC به فرم BCT به نام مارتنزیت تبدیل می‌شود که با کربن اشباع شده‌است. تغییر شکل‌های برشی که موجب ایجاد تعداد زیاد نابجایی می‌شود، یک مکانیسم اصلی تقویت فولاد است. بالاترین سختی یک فولاد مرواریدی ۴۰۰ برینل است در حالی که سختی مارتنزیت می‌تواند به ۷۰۰ برینل برسد.[۲]

واکنشهای مارتنزیتی در تعدادی آلیاژهای آهنی زیرزمینی فاقد بینابینی مشاهده می شود، ساختار محصول از تقارن مکعب است اگر parents phase یک محلول جامد ایده آل و تتراگونال  (t) باشد آنگاه مارتنزیت مقداری از نظم را به ارث می برد. از آستنیت در سیستم های خاص ، با یک استنت کم از انرژی گسل انباشته (SFE) یک انتقال مارتنزیتی به یک محصول شش ضلعی کاملاً منسجم و بسته نزدیک (c.p.h (ϵ مشاهده می شود. در بیشتر موارد ، تشکیل ϵ مارتنزیت پیش از تشکیل 'α مارتنزیت است ، اما ممکن است در تغییر شکل کرنشی مرتبط با 'α مارتنزیت نیز تشکیل شود.

واکنش مارتنزیتی در هنگام خنک شدن شروع می‌شود زمانی که آستنیت به دمای شروع مارتنزیت (Ms) می‌رسد و آستنیت به‌طور مکانیکی ناپایدار می‌شود. همان‌طور که نمونه خنک می‌شود، درصد قابل توجهی از آستنیت به مارتنزیت تبدیل می‌شود تا زمانی که دمای کمتر از استحاله (Mf) به دست آید، که در آن زمان استحاله به پایان می‌رسد.[۱]

برای فولاد یوتکتوئید(%۰٫۷۸ کربن)، ۶ تا ۱۰٪ از آستنیت به نام آستنیت حفظ شده باقی می‌ماند. درصد آستنیت حفظ شده از مقدار ناچیزی برای فولاد کمتر از ۰٫۶٪ کربن افزایش می‌یابد به ۱۳٪ آستنیت حفظ شده در فولاد ۰٫۹۵٪ کربن و ۳۰–۴۷٪ آستنیت حفظ شده برای فولاد کربن ۱٫۴٪. کربن خنک کردن بسیار سریع برای ایجاد مارنزیت ضروری است. برای یک فولاد کربن یوتکتیک مقطع نازک، اگر خنک کردن با شروع شدن ۷۵۰ درجه سانتیگراد و پایان دادن به ۴۵۰ درجه سانتیگراد در ۰٫۷ ثانیه (نرخ ۴۳۰ درجه سانتی گراد / ثانیه) اتفاق بیفتد، هیچ پرلیتی ایجاد نخواهد شد و فولاد مارتنزیتی با مقدار کمی آستنیت حفظ شده به دست می‌آید.[۲]

برای فولاد ۰–۰٫۶٪ کربن، مارتنزیت ظاهر توفالی دارد و مارتنزیت توفالی نامیده می‌شود. برای فولاد با بیش از ۱٪ کربن، یک ورق مارتنزیتی تشکیل می‌شود. بین این دو درصد، ظاهر فیزیکی دانه‌ها ترکیبی از هر دو است. استحکام مارتنزیت کاهش می‌یابد اگر مقدار آستنیت حفظ شده رشد کند. اگر نرخ خنک کردن کندتر از نرخ خنک کردن بحرانی باشد، مقدار کمی از پرلیت تشکیل خواهد شد، از مرزهای دانه شروع می‌شود به سمت داخل دانه رشد می‌کند تا زمانی که درجه حرارت به Ms برسد، آستنیت باقی‌مانده باسرعت نزدیک به نصف سرعت صوت در فولاد تبدیل به مارتنزیت می‌شود. در آلیاژهای خاص فولاد مارتنزیت نیز می‌تواند از طریق کار و به همین ترتیب تغییر شکل فولاد تشکیل شود، در حالی که فولاد در فرم آستنیتی است، با خنک کردن به زیر دمای Ms و سپس با تغییر شکل پلاستیک را اعمال می‌کنیم تا سطح مقطع عرضی بین ۲۰٪ تا ۴۰٪ از سطح مقطع اصلی کمتر شود. این روند باعث افزایش نابجایی تا 1013/cm2 می‌شود. رسوبات نابجایی‌ها را در محل قفل می‌کنند و فولاد را بسیار سخت می‌کنند. این شیوه به‌طور معمول در سرامیک‌های سخت مانند زیرکونیا تثبیت شده با اتریا و در فولادهای ویژه مانند فولادهای TRIP استفاده می‌شود؛ بنابراین، مارتنزیت می‌تواند به صورت گرمایی یا تنشی ایجاد شود.[۱][۳]

یکی از تفاوت‌های این دو فاز این است که مارتنزیت دارای ساختار بلوری متشکل ازBCT است، در حالی که آستنیت دارای ساختار FCC است. انتقال بین این دو ساختار نیاز به انرژی فعال سازی حرارتی بسیار کم دارد، زیرا این یک تبدیل بدون نفوذ است که منجر به بازسازی ظریف اما سریع موقعیت اتمی می‌شود و حتی در دماهای سرد نیز دیده می‌شود.[۱][۴] مارتنزیت دارای چگالی کمتری نسبت به آستنیت است، پس مارتنزیتی شدن استنیت منجر به تغییر نسبی حجم می‌شود. بسیار مهمتر از تغییر حجم، کرنش برشی است که مقداری حدود ۰٫۲۶ دارد و شکل صفحات مارتنزیت را تعیین می‌کند.[۵]

مارتنزیت در نمودار فازی تعادل سیستم آهن- کربن نشان داده نمی‌شود، زیرا فاز تعادلی نیست. فازهای تعادلی با سرعت آهسته خنک کردن شکل می‌گیرند که زمان کافی برای نفوذ دارند، در حالی که مارتنزیت معمولاً با نرخ خنک کردن بسیار بالا شکل می‌گیرد. از آنجائیکه فرایندهای شیمیایی (دستیابی به تعادل) در دمای بالاتر تسریع می‌شوند، مارتنزیت به راحتی توسط گرمادهی تخریب می‌شود. این فرایند گرمادهی نامیده می‌شود. در بعضی از آلیاژها، این فرایند بر اثر اضافه شده عناصری مانند تنگستن که باعث ایجاد مزاحمت برای هسته سمانتیت می‌شود، کاهش می‌یابد، اما بیشتر از آن، هسته سمانتیت اجازه می‌دهد که فشار از بین برود. از آنجا که خنک کردن ممکن است کنترل کردنش دشوار باشد، بسیاری از فولادها برای تولید بیش از حد مارتنزیت خنک می‌شوند و سپس به تدریج آن‌ها را گرمادهی می‌کنند تا زمانی که ساختار ترجیحی برای کاربرد مورد نظر به دست آید. ریز ساختار سوزنی مارتنزیت منجر به رفتار شکننده مواد می‌شود. مارتنزیت بیش از حد فولاد را ترد می‌کند و مارتنزیت کم آن را نرم می‌کند.

عملیات های حرارتی[ویرایش]

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 كربن و وابستگی كمتر Ms به عناصر آلیاژی منگنز ، كروم ، نیكل و مولیبدن را نشان می دهد كه غالباً برای بهبود سختی پذیری اضافه می شوند. هنگامی که درجه حرارت Ms از ترکیب یک 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 جابجاییهای 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[ویرایش]

پارامتر تعیین‌کننده 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 اینصورت مارتنزیت لایه ای تشکیل می‌شود. از آنجاییکه دمایMs یک فولاد توسط درصد کربن آن کنترل می‌شود، بنابراین نوع مارتنزیت نیز توسط درصد کربن مشخص می‌شود.

بنابرابن مارتنزیت ها به سه دسته زیر تقسیم میشودند:

  1. مارتنزیت بشقابی
  2. مارتنزیت لایه ای
  3. مارتنزیت مختلط (ترکیبی از مارتنزیت بشقابی و مارتنزیت لایه ای)

مارتنزیت بشقابی[ویرایش]

مارتنزیت بشقابی شکل در فولادهای پر کربن) بیش از ۱٪ (و همچنین آلیاژهای آهنی) به عنوان مثال، Fe-%33.5Ni (بوجود می‌آید. میکروساختار یاد شده از تیغه‌های درشت و سوزنی شکل مارتنزیتی که توسط مقدار زیادی آستنیت باقی‌مانده احاطه شده‌است.مارتنزیت بشقابی (Plate Martensite) شکل در فولادهای پر کربن و هم چنین آلیاژ های آهنی دیگر به وجود می آید. این میکرو ساختار از تیغه های درشت و سوزنی شکل مارتنزیت که اغلب توسط مقدار زیادی آستنیت باقی مانده احاطه شده اند، تشکیل شده است. بی نظمی آرایش تیغه های مارتنزیت در این ساختار، مستقیما به صفحات رابط متعدد با اندیس های کاملا متفاوت در فولاد های پر کربن مربوط می شود. بر خلاف فولاد های کم کربن، در فولاد های پر کربن تیغه های مارتنزیتی ابتدا مستقل از یکدیگر روی صفحات رابط مشخص به وجود می آیند و در ادامه انجام دگرگونی، تیغه های جدید مارتنزیت از تیغه های قبلی شروع و یا به آن ها ختم می شوند. یک نتیجه بسیار مهم ناشی از تشکیل تیغه های متقاطع مارتنزیتی در آلیاژ های 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 مارتنزیت تشکیل شوند. بنابراین در فولادهای ریزدانه، از آنجایی که تیغه های مارتنزیت ظریفتر هستند، امکان تشکیل ترک های مویی کاهش می یابد. مارتنزیت بشقابی در فولادهای پر کربن نسبتا شکننده بوده و به ترک های مویی حساس است. در آلیاژ های آهن - نیکل، مارتنزیت از انعطاف پذیری بیشتری برخوردار است، بنابراین تلاقی و برخورد واحد های منفرد مارتنزیتی با یکدیگر منجر به شکسته شدن آن ها و یا ایجاد ترک های مویی در آن ها نخواهد شد.

مارتنزیت لایه ای[ویرایش]

از مشخصه های مهم میکرو ساختار 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(۰٫۶). هر کدام از نواحی یاد شده از یک سری صفحات موازی تشکیل شده اند که به بسته مارتنزیت موسوم است. با کاهش درصد کربن فولاد، تمایل به تشکیل بسته های مارتنزیت افزایش می یابد. واحد های منفرد تشکیل دهنده مارتنزیت لایه ای شکل بسیار ریزند، ولی در عین حال مارتنزیت در میکروساختار سوزنی می باشد . مطالعات نشان داده اند که با کاهش درصد کربن ابعاد لایه های مارتنزیت کاهش می یابد.

مارتنزیت مختلط[ویرایش]

در آلیاژ های آهن - کربن با 0.6 تا 1 درصد کربن، هر دو نوع مارتنزیت لایه ای و بشقابی در کنار یکدیگر به وجود می آیند. در گستره فوق با افزایش درصد کربن احتمال تشکیل مارتنزیت بشقابی افزایش می یابد. هم چنین با افزایش درصد کربن، واحد های منفرد مارتنزیتی تشکیل شده نیز درشت تر می شوند. از طرف دیگر، مقدار مارتنزیت لایه ای شکل کاهش خواهد یافت. پارامتر تعیین کننده نوع مارتنزیت دمای تشکیل آن است. بدین صورت که اگر دمای Ms زیر یک دمای بحرانی باشد، مارتنزیت حاصل عمدتا از نوع بشقابی است، در غیر این صورت، مارتنزیت 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 مارتنزیت نیز توسط درصد کربن مشخص می شود. از این رو، بر اساس درصد کربن فولاد یک گستره دمایی برای تشکیل مخلوط مارتنزیت بشقابی و لایه ای شکل (مارتنزیت مختلط) وجود دارد. برای فولاد های کربنی ساده گستره دمایی فوق تقریبا بین 200 تا 320 درجه سانتی گراد است.

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  1. ۱٫۰ ۱٫۱ ۱٫۲ ۱٫۳ Khan, Abdul Qadeer (March 1972) [1972], "3", The effect of morphology on the strength of copper-based martensites (به German and English), 1 (1 ed.), Leuven, Belgium: A.Q. Khan, University of Leuven, Belgium, p. 300
  2. ۲٫۰ ۲٫۱ Baumeister, Avallone, Baumeister. "6". Marks' Standard Handbook for Mechanical Engineers, 8th ed. McGraw Hill. pp. 17, 18. ISBN 978-0-07-004123-3.
  3. Verhoeven, John D. (2007). Steel Metallurgy for the Non-Metallurgist. American Society for Metals. pp. 26–31. ISBN 978-0-87170-858-8.
  4. Ashby, Michael F.; David R. H. Jones (1992) [1986]. Engineering Materials 2 (with corrections ed.). Oxford: Pergamon Press. ISBN 0-08-032532-7.
  5. Bhadeshia, H. K. D. H. (2001) [2001]. Geometry of Crystals (with corrections ed.). London: Institute of Materials. ISBN 0-904357-94-5.
  • V. B. Spiridonov, Yu. A. Skakov and V. N. Iordanskii, Microstructure of martensite in chromium-nickel steel, Metal Science and Heat Treatment, 6, 630-632, 1964. doi:10.1007/BF00648705
  • M.M.A. Bepari, in Comprehensive Materials Finishing, 2017
  • H.K.D.H. Bhadeshia, in Encyclopedia of Materials: Science and Technology, 2001
  • اصول و کاربرد عملیات حرارتی فولادها، دکتر محمد علی گلعذار، دانشگاه

صنعتی اصفهان، زمستان ۱۳۸۷

  • استحاله فازها در فلزات و آلیاژها، دی. ای. پورتر، کی. ای. ایسترلینگ، مرکز

نشر دانشگاه تهران، ۱۳۷۹

پیوند به بیرون[ویرایش]