مارتنزیت و استحاله مارتنزیتی

در یک نگاه کلی استحاله های فازی را می‌توان در سه دسته قرار داد:

در میان این دسته بندی، استحاله مارتنزیتی جزو استحاله های بدون وقوع نفوذ قرار می‌گیرد. به دلیل حرکت دسته جمعی اتم‌ها ار این استحاله با نام استحاله برشی (Sheared Transformation) نیز یاد می شود. در این مقاله بیشتر با ویژگی‌های مارتنزیت و استحاله مارتنزیتی به عنوان یکی از پدیده‌های مهم متالورژی آشنا خواهیم شد.

مارتنزیت چیست؟

مارتنزیت فازی ناپایدار است که ار سرد کردن سریع فولادی که آستنیتی شده، به دست می‌آید. دقت داشته باشید که وقتی از سرد کردن سریع صحبت می کنیم از نرخ های سرمابشی بالای ۷۰-۸۰°C/s صحبت می کنیم. البته که این عدد برای فولادهای مختلف فرق می کند و عدد بیان شده برای فولادهای یوتکتوئیدی است. ولی در مجموع برای به دست آوردن ساختار مارتنزیتی باید از سرعت‌های سرمایشی بسیار بالایی استفاده کنیم. به همبن دلیل گفته می شود که این فاز ناپایدار است. بنابراین با حرارت دادن یا در اصطلاح تمپر کردن انتظار می رود شاهد ساختاری از فریت و سمنتیت باشیم.

6

دقیــقه مطالعه

تمپر کردن (Tempering)

در علم متالورژی، تمپر کردن تحت عنوان یک فرآیند عملیات حرارتی تعریف می‌شود که اغل...

ساختار مارتنزیت

همان طور که در ابندای مقاله اشاره کردیم، بر خلاف دگرگونی هایی مانند تشکیل پرلیت، بازیابی، تبلور مجدد و … که بر اساس نفوذ اتم‌ها رخ می‌دهند، در استحاله مارتنزیتی خبری از نفوذ نیست. این بدین معنی است که مارتنزیت دقیقا همان ترکیب شیمیایی را دارد که پیش تر آستنیت داشته بود.

از لحاظ ساختاری در هنگام سرد کردن سریع آستنیت اتم های کربن فرصتی برای خروج از ساختار را نخواهند داشت و در بین فضاهای هشت وجهی شبکه BCC محبوس می‌شوند. در این حالت شبکه‌ی BCC از یک وجه کشیده می‌شود و شبکه‌ بلوری جدیدی را به وجود می‌آورد که به BCT (Body Centered Tetragonal) معروف است. هر چه درصد عنصر آلیاژی بیشتر باشد، بلور مارتنزیت کشیده تر خواهد شد.

مکانیزم تشکیل مارتنزیت

مارتنزیت توسط مکانیزم برشی ایجاد می‌شود. در این مکانیزم، تعداد زیادی از اتم ها به صورت همزمان جابه‌جا می‌شوند. در اثر این جابه‌جایی کرنش برشی زیادی به شبکه وارد می‌شود. گفته شده که کرنش برشی وارد شده به اتم‌ها در هنگام تبدیل فاز آستنیت به مارتنزیت حدود ۰٫۲۶ (۲۶%) است. این کرنش بالا، شکل صفحات مارتنزیتی را تعیین می کند.

همان طور که در شکل زیر مشاهده می‌کنید، در هنگام تشکیل بلور مارتنزیت، صفحات آستنیتی اولیه تغییر شکل پلاستیک پیدا می کنند و کج می‌شوند. علت این تغییر شکل کرنش بسیار بالایی است که در هنگام جابه‌جایی دسته جمعی اتم‌ها ایجاد می‌شوند. این در حالی است که در دگرگونی‌های نفوذی که اتم‌ها به صورت تک تک جابه‌حا می‌شوند، خبری از تغییر شکل سطوح نیست.

به دلیل وجود تنش بالا در فصل مشترک آستنیت – مارتنزیت رشد بلورهای مارتنزیتی محدود می ‌شود و ادامه تغییر شکل فقط با حوانه زنی بلورهای جدید مارتنزیتی انجام می‌شود. در برخی از آلیاژها که صفحات قابلیت تغییر شکل بیش از اندازه را ندارند، در فصل مشترک آستنیت و بلورهای مارتنزیتی میکروترک‌هایی مشاهده می‌شوند. گرچه در فولادها فاز آستنیت انعطاف پذیری کافی جهت تشکیل فاز مارتنزیت را دارد و بنابراین ترک در فولادها کمتر مشاهده می‌شوند. اما در برخی مواد ترد سرامیکی ترک خوردگی به سادگی اتفاق می افتد. بنابراین برای بیشتر سرامیک‌ها نمی توان این استحاله را انجام داد.

صفحاتی از بلورهای آستنیت که بلورهای مارتنزیت ترجیحا بر روی آن ها تشکیل می‌شوند، به صفحات رابط (Habit pleane) معروف هستند. صفحات رابط به ترکیب شیمیایی آلیاژ بستگی دارند و با تغییر در ترکیب شیمیایی، صفحات رابط نیز تغییر می‌کنند.

در فولادها درصد مارتنزیت تشکیل شده تابعی از درصد کربن فولاد و مقدار تحت تبرید آن نسبت به دمای شروع استحاله آستنیتی (A1) است. هر چه درصد کربن فولاد بالاتر و میزان تحت تبرید آن کمتر باشد، شانس تشکیل مارتنزیت کمتر خواهد شد. دمایی که استحاله مارتنزیتی شروع می‌شود به دمای (Ms) و دمایی که استحاله پابان می‌یابد به (Mf) معروف است.

مشخص است که هر چه مقدار کربن فولاد افزایش پیدا کند، مقاومت آستنیت در برابر تغییر شکل برشی افرایش پیدا می‌کند. در نتیجه نیروی محرکه لازم برای دگزگونی افزایش پیدا کرده و به تخت تبرید بیشتری برای استحاله نیاز است. این بدین معنی است که دماهای (Ms & Mf) کاهش پیدا می‌کنند. برای فولادهای کربن متوسط و پرکربن که بیش از ۰٫۳% کربن دارند، دمای Mf زیر دمای اتاق است. بنابراین همواره باید انتظار مقداری آستنیت باقی مانده را در این فولادها داشته باشیم. توجه داشته باشید که اضافه کردن عناصر آلیاژی دیگر نیز همانند کربن تشکیل آستیت باقی مانده را ترغیب می‌کنند.

پیشنهاد می‌کنیم:

دوره آنالیز تصاویر میکروسکوپی با Image J & Clemex شروع یادگیری

اشکال مختلف مارتنزیت

بر اساس شکل سه بعدی بلورهای مارتنزیتی در زیر میکروسکوپ، می توان آن‌ها را به دو دسته لایه ای و بشقابی تقسیم کرد. نوع مارتنزیت تشکیل شده به درصد کربن و سایر عناصر آلیاژی و همچنین دمای Ms فولاد بستگی دارد. در این قسمت اشاره ای به آن ها خواهیم داشت.

مارتنزیت بشقابی (Plate Martensite)

مارتنزیت بشقابی معمولا در فولادهای پر کربن با درصد کربن بالای ۱% مشاهده می‌شود. واحدهای تشکیل دهنده این ساختار آن قدر درشت هستند که توسط میکروسکوپ نوری مشاهده می‌شوند. البته در این نوع فولادها به دلیل درصد کربن بالا، مقدار زیادی آستینت باقی مانده در ساختار مشاهده می‌شود که کمک به بهتر دیده شدن ساختار می‌کند.

ریزساختار این فولادها به صورت تیغه های درشتی مشاهده می‌شوند که توسط آستنیت باقی مانده احاطه شده اند. در فولادهای پرکربن، تیغه های مارتنزیتی بر روی صفحات رابط مختلفی جوانه می‌زنند و در ادامه استحاله مارتنزیتی تیعه های جدید بر روی تیغه های اولیه جوانه می‌زنند و یا به آن ها ختم می‌شوند. به همین دلیل ساختار مارتنزیت بسقابی در زبر میکروسکوپ به صورت بسیار نامنظم و درهم مشاهده می‌شود.

در آلیاژهای آهن کربن، در اثر رشد و اتصال تیغه های مارتنزیتی، در محل اتصال تیغه ها ترک های مویی مشاهده می‌شوند. معمولا این ترک ها در برزگترین تیغه ها تشکیل می‌شوند. بنابراین هر چه فولاد ریز دانه تر باشد، احتمال به وجود آمدن ترک نیز کمتر است. هم چنین با کاهش ترکیب آلیاژ و یا کاهش درصد کربن فولاد می توان از وقوع ترک خوردگی جلوگیری کرد.

بررسی این نوع از مارتنزیت در فولادهای پرکربن و مقاطع کربن دهی شده اهمیت بالایی دارد.

مارتنریت لایه ای (Lath Martensite)

مارتنزیت لایه ای معمولا در فولادهای کم کربن و گاهی کربن متوسط مشاهده می‌شود. بر خلاف نوع بشقابی، ابعاد این تیغه ها کوچک‌تر آن هستند که توسط میکروسکوپ نوری قابل تشخیص باشند. بنابراین برای مشاهده آن‌ها باید از میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی (SEM) استفاده کرد.

در ریزساختار مارتنزیت های لایه ای، تعداد زیادی لایه مارتنزیتی موازی هم مشاهده می‌شود که اطراف دانه های آستنیت اولیه تجمع پیدا کرده اند. هر کدام از این نواحی به نام بسته مارتنزیتی (Martensite packet) معروف هستند. با کاهش درصد کربن فولاد، تعداد این بسته ها افزایش پیدا می‌کند، اما در عوض ابعاد لایه های مارتنزیتی کاهش می‌یابد.

از آن جایی که بیشتر فولادهایی که قابلیت سختی پذیری دارند بیشتر کم کربن و کربن متوسط هستند، این نوع مارتنزیت اهمیت بیشتری از لحاظ بررسی ساختاری دارد.

مارتنزیت مختلط

این نوع ساختار بیشتر در فولادهای کربن با درصد کربن بین ۰٫۶% تا ۱% دیده می‌شود. ساختار نهایی به صورت ترکیب مارتنزیت لایه ای و بشقابی است در کنار هم است. بسته به درصد کربن، تشکیل هر کدام از این ساختارها می‌توانند تقویت شوند.

در انتهای این مقاله توجه شما را به فیلم کوتاهی که در خصوص نحوه‌ی وقوع استحاله مارتنزیتی تهیه شده، جلب می‌کنیم.

مدت زمان : ۰۰:۳۰ دقیقه