فولاد مارتنزیتی (Martensitic Steel)

مقدمه شاید تا به حال بارها و بارها چاقو و یا ابزار فولادی برنده‌ای مانند آن را در دست گرفته باشید و برایتان سوال پیش آمده باشد که این سختی و استحکام چگونه در آن‌ها ایجاد شده است؟ با وجود این که این ابزار دائما در حال سایش با اجسام دیگر هستند، ولی مقاومت و استحکام بی‌نظیر آنها هیچ تغییری نمی‌کند. در این مقاله ساختار و خواص این دسته از فولادها که معروف به فولادهای مارتنزیتی هستند را مورد بررسی قرار خواهیم داد و با نحوه تولید، کاربرد ‌و انواع آن‌ها آشنا خواهیم شد...

در لغت مارتنزیت به ساختاری گفته می شود که به واسطه یک استحاله مارتنزیتی یا جا‌به‌جایی تعداد زیادی از اتم‌ها به صورت گروهی و همزمان ایجاد می شود. در آلیاژهای آهن-کربن و فولاد، مارتنزیت از سریع سرد کردن آستنیت به وجود می‌آید. استحاله آستنیت به مارتنزیت فرآیندی کاملا مستقل از نفوذ است و بر خلاف فاز پرلیت که در در سرعت‌های سرد کردن آرام به دست می‌آید، اتم‌های کربن فرصت این را پیدا نمی‌کنند که بین دو فاز فریت و سمنتیت توزیع شوند. در نهایت اتم‌های کربن در مکان‌های هندسی هشت وجهی بین نشین در شبکه آهن به دام می‌افتند و ساختار به شبکه BCT تبدیل می شود. میکرو ساختار مارتنزیتی، سخت‌ترین ساختاری است که می‌تواند در یک فولاد بوجود آید.

فولاد مارتنزیتی چیست؟

فولادهای زنگ ‌نزن از نظر ساختار کریستالی عموما به 5 دسته فریتی، آستنیتی، مارتنزیتی، رسوب سخت شونده و داپلکس تقسیم می شوند. فولادهای مارتنزیتی دسته ای فولادهای زنگ نزن هستند که می‌توان آن‌ها با به کارگیری روش‌های گوناگون عملیات حرارتی، سخت و تمپر کرد. این فولادها عموما از طریق کوئنچ کردن فولاد از ناحیه آستنیتی تولید می‌شوند. سریع سرد کردن ساختار آستنیتی منجر به وقوع استحاله مارتنزیتی و تشکیل مارتنزیت  در فولاد می‌گردد. این دسته از فولادها می توانند به صورت کم کربن یا پرکربن باشند و عموما بین 0/3 تا 1/2 درصد کربن دارند.

با توجه به سرعت سرمایش بالا و تشکیل ساختار مارتنزیتی در این دسته از فولادها، انتظار می رود که سختی و استحکام بالایی را در آن ها شاهد باشیم که این افزایش سختی، کاربردهای منحصر به فردی را برای آن ها رقم می زند. سختی و استحکام بالا ناشی از واپیچیدگی شبکه کریستالی و تنش های داخلی است که در اثر این استحاله فازی رخ می دهد و این فولادها را برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت بالا در برابر سایش و خستگی باشد، مناسب می کند. در حالی که در فولادهای پرلیتی حداکثر سختی گزارش شده برابر 400 برینل است، اما برای این فولادها می توان تا سختی های بالاتر از 700 برینل نیز دست یافت!

مارتنزیت در فولاد به چه صورت هایی یافت می شود؟

در فولادهای کربنی سختی‌پذیر، مارتنزیت به دو شکل لایه‌ای و بشقابی ایجاد می‌شود. این تقسیم بندی بر اساس میکروساختار و شکل تیغه‌های مارتنزیتی به دست آمده است.

مارتنزیت لایه‌ای، از موازی قرار گرفتن دسته‌هایی از لایه‌های مارتنزیتی در جهات مختلف تشکیل می‌شود. این نوع مارتنزیت در درصدهای کمتر کربن (0.3-0.6 درصد) در فولادها به چشم می‌خورد. اما مارتنزیت بشقابی در فولادهای پر کربن (بیش از 1 درصد) تشکیل می‌شود و میکروساختار آن شامل تیغه‌های درشت و سوزنی شکل مارتنزیت است. حالت میانی این دو یعنی زمانی که فولاد بین 0/6 تا 1 درصد کربن داشته باشد شامل هر دو ساختار است که به مارتنزیت مختلط مرسوم است.

آیا هر فولادی قابلیت مارتنزیتی شدن را دارد؟

عامل تعیین‌ کننده‌ای که در تولید فولادهای مارتنزیتی با سختی بالا نقش کلیدی دارد، سختی‌پذیری فولاد مورد نظر است. این تصور که هر فولادی را می‌توان با سریع سرد کردن سخت و مارتنزیتی کرد، تصور اشتباهی است. برای بیان توانایی فولادها برای مارتنزیتی شدن باید با مفهوم سختی‌پذیری آشنا شویم.

سختی پذیری، میزان توانایی یا قابلیت تشکیل مارتنزیت در فولاد در اثر سریع سرد شدن از ناحیه آستنیت است. سختی‌پذیری را می‌توان با نمودارهای TTT و CCT به خوبی توجیه کرد. بر این اساس، سرعت سرد کردن فولادها باید در حدی باشد که نمودار سرد شدن بدون وارد شدن در منطقه تشکیل بینیت و پرلیت از ناحیه دمای شروع و پایان مارتنزیت یعنی خطوطMs  و Mf کاملا بگذرد. در غیر این ‌صورت مارتنزیت تماما در ساختار ایجاد نمی‌شود و سختی مطلوب به‌ دست نمی‌آید.

سختی پذیری به عوامل مختلفی مانند درصد کربن، عنصر آلیاژی، سرعت سرد کردن و ... بستگی دارد، اما سختی تنها تابعی از درصد کربن فولاد است.

  • هر چه میزان آستنیت باقی‌مانده در ساختار نهایی بیشتر باشد، استحکام مارتنزیت کاهش خواهد یافت.
  • مهمترین پارامترهای موثر بر سختی پذیری فولاد درصد کربن، عناصر آلیاژی، ناخالصی‌ها، ضخامت قطعه و سرعت سرد کردن هستند.
  • باید توجه داشت که عملیات مارتنزیتی کردن بر روی فولادهایی انجام می‌شود که حداقل 0/3 درصد کربن داشته باشند. سختی فولاد‌های ماتنزیتی فقط و فقط تابعی از مقدار کربن است. باید توجه داشت که اگر در فرآیند ساخت فولاد مارتنزیتی سرعت سرد کردن از حد مشخصی کمتر باشد، فاز پرلیت از مناطق مرزدانه‌ها شروع به جوانه زدن خواهد کرد و ساختار نهایی متشکل از پرلیت و مارتنزیت خواهد بود که مطلوب نیست.

اصطلاح تخصصی آب نگرفتن فولاد به چه معناست؟

در تولید فولادهای مارتنزیتی این اصطلاح برای فولادهایی که کمتر از 0/3 درصد کربن دارند به کار می‌رود. در این فولادها به دلیل درصد کم کربن، مارتنزیت به طور ناقص و با سختی پایین و نامطلوب ایجاد می‌شود و به اصطلاح می‌گویند این فولادها آب نمی‌گیرند.

فولادهای مارتنزیتی چه کاربردهایی دارند؟

فولادهای مارتنزیتی به دلیل مقاومت خوب در برابر سایش و سختی بالا، برای تولید ابزار برنده‌ای چون چاقوها و قیچی‌ها و به طور کلی در فولادهای ابزار به کار می‌روند. افزودن 12 الی 18 درصد عنصر کرم به فولادهای مارتنزیتی مقاومت به خوردگی آن‌ها را به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌دهد. فولادهای زنگ‌نزن مارتنزیتی که در اثر افزودن کروم تولید می‌شوند، در ساخت پره‌های توربین، تیغه‌های ریش‌تراش، ابزار جراحی و حتی لوله‌ تفنگ‌ها نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

فولادهای خود سخت شونده !!

یکی از کاربردهای جالب فولادهای مارتنزیتی در فولادهای Hadfield است. البته باید توجه داشت که ساختار اولیه این فولادها مارتنزیتی نبوده و کاملا آستینیتی است. ساختار کاملا آستنیتی این فولادها به دلیل حضور عنصر منگنز است که پایدارکننده فاز آستنیت است. اما نکته جالب این است که ساختار این فولادها بر اثر اعمال کوچکترین تغییر پلاستیکی سریعا به مارتنزیت تبدیل شده و بسیار سخت می‌گردد. در کاربردهایی که مقاومت به سایش بسیار مهم است (مثل گلوله‌های آسیاب کن سنگ‌ها) از این فولادها استفاده می‌شود. تصور کنید اگر بدنه خودرویی تماما از این فولاد ساخته شود، بر اثر تصادف به جای اینکه بدنه آن آسیب ببیند در اثر ضربه و تبدیل شدن به فولاد مارتنزیتی سخت‌تر می‌شود !!!

در رابطه با فولاد مارتنزیتی به چند نکته توجه داشته باشید!

پس از سرمایش سریع و تشکیل ساختار مارتنزیتی در فولاد، معمولا تنش های پسماند داخلی بالا بوده و فولاد بسیار ترد و شکننده است. به همین دلیل با استفاده از یک عملیات حرارتی در زیر دمای آستنیته، فرصتی به وجود می آید تا این تنش ها آزاد شوند. همچنین فرصتی به وجود می آید تا بخشی از کربن اضافی که در داخل ساختار BCT فولاد محبوس شده بود، خارج شده و منجر به تشکیل فازهای تعادلی فریت و سمنتیت شود. ساختار نهایی چیزی است که از آن با عنوان مارتنزیت تمپر شده (Tempered Martensite) یاد می کنیم. این فولاد علاوه بر حفظ سختی و استحکام، انعطاف پذیری و چکش خواری مناسبی خواهد داشت.

در هنگام سرمایش سریع و تولید ساختار مارتنزیتی در مقاطع ضخیم فولادی، شیب دمایی زیادی بین سطح و مغز قطعه ایجاد می شود. در این حالت ممکن است مغز قطعه مارتنزیت نشده باقی بماند و ساختار بینیتی یا پرلیتی تشکیل شود. در این مواقع می توان از عناصری مانند بور یا منگنز استفاده کرد. این عناصر با جابه‌جایی دماغه نمودار TTT به سمت راست، تشکیل این فازها را به تاخیر انداخته و باعث تشکیل ساختار مارتنزیتی در مغز قطعه می شوند.

فولادهای مارتنزیتی در مقایسه با سایر فولادها، جوش پذیری ضعیف تری دارند. به همین دلیل جهت جلوگیری از آسیب های احتمالی به فولاد، همواره باید آن را پیشگرم کرد. انتخاب دمای مناسب پیشگرم به ابعاد ماده، نوع اتصال و ساختار بستگی دارد، اما معمولا این دما بین 200 تا 400 درجه سانتیگراد انتخاب می شود.

منابع

گلعذار، محمد علی. اصول و کاربرد عملیات حرارتی فولادها . انتشارات دانشگاه صنعتی اصفهان
اونر، سیدنی اچ. آشنایی با متالورژی فیزیکی. مرکز نشر دانشگاهی
Metals handbook
www.sciencedirect.com

آیا مقاله برای شما مفید بود ؟
5/rateraterateraterate
5
0 نظر ثبت شده
مواد کنکور

مطالب مرتبط

دیدگاه کاربران