مارتنزیت یک‌فاز ناپایدار در فولاد و سایر مواد است که توسط یک تبدیل بدون انتشار، به طور معمول از آستنیت (یک‌فاز با دمای بالا) در هنگام خاموش‌کردن تشکیل می‌شود. ماهیت بسیار سخت و شکننده‌ای دارد و برای کاربردهایی که نیاز به استحکام و سختی بالایی دارند، مانند تولید ابزارهای برش، چاقوها و انواع خاصی از اجزای ساختاری، مفید است. خواص منحصربه‌فرد مارتنزیت همچنین آن را در افزایش مقاومت به سایش و دوام مواد در کاربردهای مختلف صنعتی و مهندسی ارزشمند می‌کند.
مارتنزیت یکی از فازهایی است که در فولادها بکار می‌رود که توسط روش تبرید از حرارت بالا یا عملیات پخت درجه‌دار به دست می‌آید. مارتنزیت معمولاً شامل یک ساختار باریک و طویل از تورهاست که در درجه حرارت بالا ظاهر می‌شود. این ساختار فولاد را بسیار سخت و محکم می‌کند. مارتنزیت نوعی ریزساختار است که در مواد، به‌ویژه فولادها، در نتیجه سردشدن سریع ایجاد می‌شود.
انواع مختلف مارتنزیت
مارتنزیت لت
این نوع مارتنزیت ساختار لت مانندی دارد و در فولادهایی با محتوای کربن کمتر تشکیل می‌شود.
مارتنزیت صفحه‌ای
این نوع مارتنزیت ساختاری صفحه‌ای دارد و در فولادهایی با محتوای کربن بالاتر تشکیل می‌شود.
مارتنزیت خنک شده زیر صفر
این نوع مارتنزیت زمانی تشکیل می‌شود که ماده در زیر دمای شروع خنک شود و در نتیجه سختی و استحکام بهتری پیدا کند.
درک انواع مختلف مارتنزیت برای کنترل خواص فولاد و سایر مواد و همچنین برای بهینه‌سازی فرایندهای عملیات حرارتی جهت دستیابی به ویژگی‌های مکانیکی مطلوب مهم است.
مارتنزیت فریز شده به دلیل سرعت تبرید بسیار بالا در حین خنک‌شدن از یک دمای بالا به دست می‌آید. سختی و شکست‌پذیری بالایی دارد، و در فولادهایی که برای استفاده در قطعات با مقاومت بالا و استحکام در برابر خردگی مورد استفاده قرار می‌گیرد مناسب است؛ بنابراین از خصوصیات ویژهٔ مارتنزیت فریز شده می‌توان به استحکام بالا و سختی بالای آن اشاره کرد.
مارتنزیت دارای فاز تعادلی است؟
مارتنزیت دارای فاز تعادلی نیست. فازهای تعادلی با سرعت سردشدن آهسته تشکیل می‌شوند که زمان کافی برای انتشار می‌دهد، درحالی‌که مارتنزیت معمولاً با سرعت خنک‌سازی بسیار بالا تشکیل می‌شود. ازآنجایی‌که فرایندهای شیمیایی (دستیابی به تعادل) در دمای بالاتر تسریع می‌شوند، مارتنزیت به‌راحتی با اعمال گرما از بین می‌رود. به این فرایند تمپرینگ می‌گویند. در برخی از آلیاژها، با افزودن عناصری مانند تنگستن که با هسته‌زایی سمنتیت تداخل می‌کنند، اثر کاهش می‌یابد، اما بیشتر اوقات، هسته‌زایی برای کاهش تنش‌ها ادامه پیدا می‌کند.
ازآنجایی‌که کنترل کوئنچ می‌تواند دشوار باشد، بسیاری از فولادها برای تولید مارتنزیت بیش از حد کوئنچ می‌شوند و سپس برای کاهش تدریجی غلظت آن تا زمانی که ساختار مطلوب برای کاربرد موردنظر به دست آید حرارت داده می‌شوند. ریزساختار سوزنی مانند مارتنزیت منجر به رفتار شکننده مواد می‌شود. مارتنزیت زیاد باعث شکننده شدن فولاد می‌شود، خیلی کم آن را نرم می‌کند.
سخت کردن قطعه فولادی به روش مارتمپر
همان‌طور که گفته شد مارتنزیت یک ساختار غیرتعادلی است که در سرعت سردشدن بالا به وجود می‌آید. تشکیل این ساختار پس از عملیات حرارتی فولاد، موجب افزایش سختی و استحکام ماده می‌شود. با مار تمپر کردن قطعه فولادی از عیوب ناشی از ایجاد مارتنزیت می‌توان جلوگیری کرد. با مارتمپر کردن ماده، احتمال ترک‌برداشتن و ایجاد ترک در ماده به حداقل مقدار ممکن می‌رسد. روش مارتمپر کردن برای فولادهایی مناسب است که از سختی‌پذیری مناسبی برخوردار باشند. همچنین قابل‌ذکر است که ضمن سردشدن در نمک و روغن داغ پرلیت تشکیل نمی‌شود.
مراحل مارتمپر
– حرارت دادن تا دمای بالاتر از تبلور ماده
– نگهداری در این دما و آستنیته کردن فولاد
– سریع سردکردن در روغن داغ یا نمک مذاب تا دمایی بالاتر از دمای شروع استحاله مارتنزیت
– نگهداری در دمای یادشده تا یکنواختی ساختار ماده (بسته به ضخامت ماده زمان نگهداری متفاوت است)
– سردکردن در مجاورت هوا به‌نحوی‌که تمام بخش‌های ماده یکنواخت سرد شده و مارتنزیت تشکیل شود.
– آنیل کردن قطعه برای افزایش چقرمگی
ساختار مارتنزیت
طبق آنچه تا اینجا گفته‌شده مارتنزیت محلول جامد بینابینی متمایل به کربن موجود در آهن است و هنگامی که آستنیت به‌سرعت در دمای اتاق خاموش می‌شود تشکیل شده و ممکن است یک ساختار bcc در غلظت‌های کم‌کربن یا یک ساختار چهارضلعی متمرکز در غلظت‌های کربن بالا داشته باشد.
تبدیل مارتنزیتی شامل برش شبکه‌ای است و می‌تواند با سرعت صوت انجام شود. ازآنجایی‌که از نظر ترمودینامیکی پایدار نیست، مارتینزیت می‌تواند به پرلیت یا بینیت تبدیل گردد، اگر تا دمایی که در آن انتشار سریع کربن اتفاق می‌افتد، گرم شود. این فرایند برای کنترل سختی نمونه‌های فولادی عملیات حرارتی استفاده می‌شود.
در برخی از آلیاژها، با افزودن عناصری مانند تنگستن که با هسته‌زایی سمنتیت تداخل می‌کنند، اثر کاهش می‌یابد، اما بیشتر اوقات، هسته‌زایی برای کاهش تنش‌ها ادامه می‌یابد. ازآنجایی‌که کنترل کوئنچ می‌تواند دشوار باشد، بسیاری از فولادها برای تولید مارتنزیت بیش از حد کوئنچ می‌شوند، سپس برای کاهش تدریجی غلظت آن تا زمانی که ساختار مطلوب برای کاربرد موردنظر به دست آید، حرارت داده می‌شوند.
ریزساختار سوزنی مانند مارتنزیت منجر به رفتار شکننده مواد می‌شود. برای فولاد یوتکتوئیدی (0.76٪ C)، بین 6 تا 10٪ آستنیت، به نام آستنیت حفظ شده، باقی می‌ماند. درصد آستنیت باقی‌مانده از ناچیز برای فولاد کمتر از 0.6% C به 13% آستنیت در دمای 0.95% C و 30-47% آستنیت حفظ شده برای فولاد کربن 1.4% افزایش می‌یابد. خاموش‌کردن بسیار سریع برای ایجاد مارتنزیت ضروری است. برای فولاد کربنی یوتکتوئیدی با مقطع نازک، اگر کوئنچ با دمای 750 درجه سانتیگراد شروع شود و در دمای 450 درجه سانتیگراد در 0.7 ثانیه (میزان 430 درجه سانتیگراد در ثانیه) خاتمه یابد، هیچ پرلیتی تشکیل نخواهد شد و فولاد مارتنزیتی خواهد بود.
خرید صنایع فولادی ایران اتصال آسیا
استحاله مارتنزیت چیست؟
استحاله مارتنزیت در دماهای کمتر از دگرگونی پرلیتی و بدون نفوذ صورت می‌گیرد. البته لازم به ذکر است که این ساختار تنها در فولادها تشکیل نمی‌شود، در آلیاژهای غیرآهنی مثل آلومینیوم – مس و طلا – کادمیم نیز امکان به‌وجودآمدن این ساختار هست. به این باید توجه کرد که خواص مارتنزیت ایجاد شده در فولادها و بقیه آلیاژها متفاوت خواهد بود. برای تشکیل این ساختار کافی است، نمونه حرارت دیده سریع سرد گردد. شرایط سردکردن به عواملی مثل درصد کربن، عناصر آلیاژی و اندازه دانه‌های آستنیت بستگی دارد. به‌طورکلی، فولادهای کم‌کربن و کربن متوسط مارتنزیت لایه‌ای، فولادهای پر کربن مارتنزیت بشقابی تشکیل می‌دهند.
انواع استحاله مارتنزیتی
بشقابی
ساختار بشقابی برای فولادهای پرکربن و آلیاژهای آهنی دیگر مثل آهن – نیکل ظاهر خواهد شد. تیغههای درشت و سوزنی شکل که توسط آستنیت باقی‌مانده احاطه شده‌اند، در صورت متقاطع بودن، ایجاد ترک می‌کنند. در فولادهای ریزدانه امکان تشکیل ترک مویی کاهش می‌یابد. زیرا تیغههای ایجاد شده، ظریف‌تر هستند. در مقابل تیغههای فولاد های پرکربن، حساس و شکننده‌اند. البته در آلیاژهای دیگر آهن، مثل آهن و نیکل، ساختار منعطف پذیر بوده و ترک ایجاد نمی‌شود. برای رفع این مسئله از مارتمپر کردن استفاده می‌شود.
لایه‌ای
با کاهش درصد کربن تمایل به تشکیل لایه‌های مارتنزیتی، افزایش پیدا می‌کند. در نتیجه، مارتنزيت لایه‌ای در فولادهای کم‌کربن تشکیل می‌شود. برای استحاله مارتنزیت حداقل مقدار کربن باید ۰.۳ درصد کربن باشد. مارتنزیت‌های تشکیل شده در کربن‌های کمتر از ۰.۳ درصد، سختی کمی دارند. به عبارتی سختی‌های کمتر از ۲۰ راکول سی از نظر مکانیکی ارزشی ندارد.
