Мартенсит: структура и твёрдость стали

Мартенсит - это пересыщенная углеродом структура стали, которая получается при быстром охлаждении (закалке) аустенита. Именно благодаря мартенситу режущий инструмент, пружины и подшипники получают высокую твёрдость и прочность. На экзамене по материаловедению почти всегда спрашивают две связанные вещи: как устроена решётка мартенсита и от чего зависит его твёрдость. Ниже разберём это по шагам, а если нужно решить конкретную задачу - выбора режима закалки или оценки твёрдости по содержанию углерода, соберите запрос в форме ниже.

Что такое мартенсит

Мартенсит - это пересыщенный твёрдый раствор внедрения углерода в железе с особой кристаллической решёткой. Назван в честь немецкого металловеда Адольфа Мартенса. Главная его особенность в том, что мартенсит не является равновесной фазой: на диаграмме железо-углерод его нет. Он возникает только при таких скоростях охлаждения, при которых атомы углерода не успевают выделиться из раствора и образовать перлит или другие равновесные структуры.

В отличие от перлита и феррита, мартенсит образуется не диффузионным, а бездиффузионным (сдвиговым) механизмом. Атомы железа смещаются согласованно, на доли межатомного расстояния, перестраивая решётку почти мгновенно - со скоростью, близкой к скорости звука. Поэтому время превращения практически не зависит от выдержки, важна только температура.

Превращение решётки при закалке

Исходная фаза - аустенит, твёрдый раствор углерода в гамма-железе с гранецентрированной кубической решёткой (ГЦК). В ГЦК есть крупные октаэдрические поры, в которых углерод размещается относительно свободно. При закалке аустенит резко охлаждают, и решётка перестраивается в объёмно-центрированную.

Рассчитать для своей задачи

Если бы углерода не было, получилась бы обычная объёмно-центрированная кубическая решётка (ОЦК) феррита. Но в ОЦК-железе поры намного мельче, и углероду там тесно. Атомы углерода остаются на своих местах в определённых октаэдрических позициях и распирают решётку вдоль одной оси. В результате куб вытягивается и превращается в объёмно-центрированную тетрагональную решётку (ОЦТ): два ребра ячейки равны ($a$), а третье длиннее ($c$). Отношение $c/a$ называют степенью тетрагональности, и оно тем больше, чем выше содержание углерода - примерно $c/a = 1 + 0{,}045 \cdot C$, где $C$ - массовая доля углерода в процентах.

Именно эта пересыщенность и тетрагональность отличают мартенсит от феррита: химически это всё то же железо с углеродом, но углерод насильно удержан в решётке, которая для него слишком мала.

Морфология: рейки и пластины

Под микроскопом мартенсит выглядит как набор тонких кристаллов, ориентированных под характерными углами друг к другу. Различают две основные морфологии:

• Реечный (пакетный) мартенсит - образуется в низко- и среднеуглеродистых сталях (примерно до 0,6% C). Кристаллы имеют форму вытянутых реек, собранных в пакеты. Он чуть менее твёрдый, но более вязкий.
• Пластинчатый (игольчатый) мартенсит - характерен для высокоуглеродистых сталей. Кристаллы имеют вид линз или пластин, на шлифе видны как иглы. Внутри пластин много двойников, такая структура более хрупкая.

Чем выше содержание углерода, тем больше доля пластинчатого мартенсита и тем выше твёрдость, но и тем выше хрупкость. Поэтому после закалки сталь почти всегда подвергают отпуску, чтобы снять внутренние напряжения.

Кристаллы мартенсита растут не хаотично: они связаны с решёткой исходного аустенита строгим ориентационным соотношением (например, соотношением Курдюмова-Закса). Поэтому на шлифе иглы пересекаются под характерными углами, отражающими симметрию материнской фазы. Каждая пластина растёт почти мгновенно и останавливается на границе зерна или на ранее образовавшейся пластине, поэтому величина исходного аустенитного зерна напрямую влияет на размер мартенситных кристаллов: крупное зерно даёт грубую игольчатую структуру и более хрупкую сталь, мелкое - дисперсный мартенсит и лучшую вязкость.

Почему мартенсит такой твёрдый

Твёрдость мартенсита - результат сразу нескольких механизмов упрочнения:

1. Твёрдорастворное упрочнение. Атомы углерода, втиснутые в решётку, создают вокруг себя поля упругих искажений. Эти искажения мешают движению дислокаций - линейных дефектов, по которым идёт пластическая деформация.
2. Высокая плотность дислокаций. Сдвиговое превращение порождает огромное количество дислокаций и двойников, которые цепляются друг за друга.
3. Измельчение структуры. Рейки и пластины очень тонкие, границы между ними тормозят дислокации (механизм Холла-Петча).

Рассчитать для своей задачи

Ключевой фактор - именно углерод. Чем его больше, тем сильнее искажена решётка и тем выше твёрдость. Зависимость нелинейная: при малом содержании углерода твёрдость растёт круто, а после примерно 0,6% C выходит на насыщение около 63-65 HRC. Дальнейшее увеличение углерода почти не повышает твёрдость мартенсита, зато резко повышает хрупкость и количество остаточного аустенита.

Важно различать твёрдость и прочность. Очень высокая твёрдость мартенсита означает, что металл сопротивляется вдавливанию и царапанию, но при этом он плохо сопротивляется ударным нагрузкам. По сути, мартенсит покупает твёрдость ценой пластичности: дислокации настолько закреплены, что металл скорее растрескается, чем потечёт. Поэтому твёрдость 65 HRC сама по себе не является целью - реальный режим термообработки всегда подбирают под условия работы детали.

От чего зависит образование мартенсита

Чтобы получить мартенсит, скорость охлаждения должна превышать критическую скорость закалки - ту, при которой подавляется диффузионный распад аустенита. Превращение идёт в интервале между двумя температурами:

• $M_н$ - точка начала мартенситного превращения;
• $M_к$ - точка конца превращения.

Обе точки зависят от состава: чем больше углерода и легирующих элементов, тем ниже $M_н$ и $M_к$. У высокоуглеродистых сталей $M_к$ может опускаться ниже комнатной температуры, поэтому часть аустенита не успевает превратиться и остаётся как остаточный аустенит. Чтобы его убрать, применяют обработку холодом.

Прокаливаемость стали - её способность закаливаться на мартенсит на определённую глубину - тоже важна. Чем выше прокаливаемость, тем меньшая скорость охлаждения нужна, и тем менее резкую охлаждающую среду можно применять. Подробнее про выбор среды читайте в материале про охлаждающие среды при закалке, а про роль углерода в свойствах стали - в статье о влиянии углерода на свойства стали.

Мартенсит и отпуск

Свежезакалённый мартенсит твёрдый, но очень хрупкий и напряжённый. Чтобы сделать сталь работоспособной, её отпускают - нагревают ниже точки $A_1$. При отпуске из пересыщенного раствора выделяется углерод в виде карбидов, тетрагональность снижается, а структура постепенно превращается в отпущенный мартенсит, троостит или сорбит отпуска. Твёрдость при этом падает, но растёт вязкость.

Подбор температуры отпуска - это компромисс между твёрдостью и пластичностью. Низкий отпуск (150-250 градусов) сохраняет высокую твёрдость для инструмента, высокий (500-650 градусов) даёт улучшенную сталь для деталей машин. Сравнить мартенсит с равновесными структурами помогает понимание строения доэвтектоидной стали.

Частые ошибки

• Путают мартенсит с ферритом. У них одинаковый химический состав по железу, но феррит почти не содержит углерода и имеет ОЦК-решётку, а мартенсит пересыщен углеродом и имеет тетрагональную ОЦТ-решётку.
• Считают, что твёрдость растёт с углеродом неограниченно. После примерно 0,6-0,8% C твёрдость мартенсита выходит на плато, а дальше растёт только хрупкость.
• Думают, что мартенсит образуется при любой закалке. Нужна скорость выше критической; при медленном охлаждении получится перлит или бейнит.
• Забывают про остаточный аустенит. В высокоуглеродистых и легированных сталях часть аустенита не превращается и снижает твёрдость.
• Применяют закалённую деталь без отпуска. Хрупкий неотпущенный мартенсит склонен к растрескиванию.

FAQ

Чем мартенсит отличается от аустенита? Аустенит - это высокотемпературная фаза с гранецентрированной кубической решёткой (гамма-железо), в которой углерод хорошо растворяется. Мартенсит получается из аустенита при быстром охлаждении и имеет тетрагональную решётку, пересыщенную углеродом. Аустенит мягкий и пластичный, мартенсит твёрдый и хрупкий.

Какая твёрдость у мартенсита в HRC? Для углеродистых сталей твёрдость мартенсита достигает 60-65 HRC при содержании углерода около 0,6% и выше. При меньшем количестве углерода твёрдость пропорционально ниже: например, при 0,2% C это примерно 40-45 HRC.

Почему мартенсит хрупкий? Из-за сильных внутренних напряжений и искажений решётки, пересыщенной углеродом, а также высокой плотности дислокаций и двойников. Эти же причины делают его твёрдым, но движение дислокаций затруднено настолько, что вместо пластической деформации происходит хрупкое разрушение. Хрупкость снимают отпуском.

Коротко

Мартенсит - пересыщенный углеродом твёрдый раствор с тетрагональной (ОЦТ) решёткой, который образуется из аустенита бездиффузионным сдвиговым превращением при закалке со скоростью выше критической. Его высокая твёрдость (до 63-65 HRC) определяется в первую очередь содержанием углерода, искажающего решётку и тормозящего дислокации. Зависимость твёрдости от углерода нелинейна и выходит на плато около 0,6% C, после чего растёт только хрупкость. Поэтому закалённую сталь почти всегда отпускают, балансируя твёрдость и вязкость.