در حوزه وسیع علم و مهندسی مواد، یک ساختار کریستالی خاص به دلیل خواص استثنایی خود برجسته است: مارتنزیت. در این مقاله سفری را برای کشف پیچیدگی‌های مارتنزیت، بررسی شکل‌گیری، انواع مختلف و نقش مهمی که در شکل‌دهی خواص مکانیکی فولاد ایفا می‌کند آغاز می‌کنیم.
مارتنزیت چیست؟
مارتنزیت (به انگلیسی martensite) یک ریزساختار کریستالی است که نقشی محوری در زمینه متالورژی، به ویژه در حوزه علم و مهندسی مواد دارد. این تغییر فاز که به نام متالورژیست آلمانی آدولف مارتنز نامگذاری شده است در آلیاژهای خاصی به ویژه فولاد در طی فرآیندهای خنک‌سازی سریع رخ می‌دهد.
مطالعه بیشتر: کاربرد آلیاژها در زندگی
استحاله مارتنزیتی چیست؟
استحاله مارتنزیتی یا تبدیل مارتنزیت فرآیندی است که در طی سرد شدن فولاد به ویژه از فاز آستنیتی رخ می‌دهد. بر خلاف دیگر تبدیل‌های فازی که با انتشار کنترل می‌شوند، تبدیل مارتنزیت بدون انتشار است و تقریباً بلافاصله اتفاق می‌افتد. عوامل کلیدی موثر بر تشکیل مارتنزیت عبارتند از: سرعت خنک شدن، ترکیب آلیاژ و دمای شروع که در آن تبدیل آغاز میشود.
ساختار شبکه کریستالی نقش مهمی در تبدیل مارتنزیت ایفا می‌کند. با تبدیل آستنیت به مارتنزیت، شبکه کریستالی از ساختار مکعبی صورت محور (FCC) به ساختار چهارضلعی بدن محور (BCT) تغییر می‌کند. این تبدیل سریع و متمایز به خواص مکانیکی منحصربه‌فرد مارتنزیت کمک می‌کند و آن را از سایر فازها متمایز می‌کند.
انواع مارتنزیت
مارتنزیت انواع مختلفی دارد که هر کدام ویژگی‌های متمایز خود را دارند. دو نوع رایج عبارتند از: مارتنزیت لث و مارتنزیت صفحه. مارتنزیت لت دارای مورفولوژی سوزنی یا توری مانند در ریزساختار است که بر جهت گیری کریستالوگرافی و خواص مکانیکی آن تأثیر می‌گذارد. مارتنزیت صفحه‌ای ساختاری صفحه‌مانند از خود نشان می‌دهد و شکل‌گیری آن تحت تأثیر شرایط خاص در طول فرآیند خنک‌سازی قرار می‌گیرد.
درک شرایطی که تحت آن هر نوع مارتنزیت شکل می‌گیرد برای طراحی مواد برای برآوردن الزامات مهندسی خاص بسیار مهم است. مورفولوژی، جهت گیری کریستالوگرافی و خواص مکانیکی حاصل به طور قابل توجهی بین مارتنزیت لت و صفحه‌ای متفاوت است و مطالعه آنها را برای دانشمندان و مهندسان مواد ضروری می‌کند.
تفاوت مارتنزیت و بینیت
مارتنزیت و بینیت دو ریزساختار متداول هستند که در طول تبدیل فولاد تشکیل می‌شوند و درک تفاوت‌های آنها برای طراحی و انتخاب مواد حیاتی است. تفاوت اساسی بین این دو در فرآیندهای تشکیل آنها و ساختارهای کریستالی حاصل است. مارتنزیت که از طریق سرد شدن سریع از فاز آستنیتی تشکیل شده است دارای یک تبدیل بدون انتشار با یک شبکه چهار ضلعی بدن محور است که سختی و استحکام اما با شکنندگی بالا نشان می‌دهد.
بینیت در دماهای بالاتر از طریق یک فرآیند کنترل شده با انتشار تکامل می‌یابد که منجر به ایجاد یک ریزساختار متشکل از فریت و سمنتیت میشود. بینیت در مقایسه با مارتنزیت تعادلی بین استحکام و شکل‌پذیری ارائه می‌دهد اما سختی کمتری دارد. تمایزات به نیازهای عملیات حرارتی آنها گسترش می‌یابد و انتخاب بین مارتنزیت و بینیت را برای کاربردها در صنایع مختلف که در آن ترکیبات خاصی از استحکام، چقرمگی و سختی اهمیت دارد بسیار مهم می‌کند.
استحکام و خواص مکانیکی مارتنزیت
سختی مارتنزیت یکی از بارزترین ویژگی‌های آن است که آن را در میان سایر ریزساختارها متمایز می‌کند. سرد شدن سریع در طول تبدیل مارتنزیتی، اتم‌های کربن را در داخل شبکه کریستالی به دام می‌اندازد که منجر به اثر تقویت‌کننده محلول جامد میشود. این اثر همراه با عیوب کریستالوگرافی معرفی شده توسط دوقلوهای تبدیل به سختی بالای نشان داده شده توسط مارتنزیت کمک می‌کند.
مقاومت در برابر سایش ویژگی با ارزش فولادهای مارتنزیتی است که آنها را برای کاربردهایی که مواد تحت نیروهای سایشی قرار می‌گیرند، ایده‌آل می‌سازد. سختی مارتنزیت آن را قادر می‌سازد تا در برابر سایش مقاومت کند و آن را برای ابزارهای برش، ماشین آلات صنعتی و سایر محیط‌های با سایش بالا مناسب می‌کند.
آستنیت باقیمانده یا فازی که در طول فرآیند مارتنزیتی تبدیل نشده باقی می‌ماند می‌تواند بر خواص ماده تأثیر بگذارد. مقدار آستنیت باقیمانده تحت تأثیر ترکیب آلیاژ و سرعت خنک‌شدن در طول کوئنچ است. درک رابطه بین این عوامل برای تنظیم خواص فولادهای مارتنزیتی برای برآوردن نیازهای خاص بسیار مهم است.
مارتنزیت چگونه تشکیل میشود؟
تشکیل مارتنزیت شامل یک سری مراحل از هسته‌زایی تا رشد و تبدیل است. هسته‌زایی مارتنزیت از مکان‌های خاصی در ساختار آستنیتی شروع میشود و به عنوان نقطه شروع رشد لت‌ها یا صفحات عمل می‌کند. فرآیند رشد این لت‌ها را در سراسر ماده گسترش می‌دهد و بر ریزساختار و خواص مکانیکی حاصل تأثیر می‌گذارد.
اهمیت کوئنچ که یک فرآیند خنک‌سازی سریع است در تشکیل مارتنزیت بسیار بالا است. کوئنچ از انتشار اتم‌های کربن جلوگیری می‌کند و باعث حفظ آنها در شبکه کریستالی میشود. نرخ بحرانی خنک‌سازی مورد نیاز برای تبدیل مارتنزیتی تحت تأثیر ترکیب آلیاژ است و محتوای آلیاژ بالاتر معمولاً به سرعت خنک‌سازی سریع‌تری نیاز دارد.
دمای شروع مارتنزیت
دمای شروع مارتنزیت که اغلب به عنوان دمای Ms شناخته میشود یک پارامتر حیاتی در فرآیند تبدیل است. این دما شروع دگرگونی مارتنزیتی را در طول خنک شدن نشان می‌دهد. رابطه بین ترکیب آلیاژ، سرعت خنک‌شدن و دمای Ms بر ریزساختار و خواص نهایی ماده تأثیر می‌گذارد.
ترکیب آلیاژ در تعیین دمای بحرانی که در آن آستنیت به مارتنزیت تبدیل میشود، نقش دارد. عناصر آلیاژی مانند کربن، منگنز و افزودنی‌های آلیاژی بر دمای Ms تأثیر می‌گذارند. درک این روابط به متالوژیست‌ها اجازه می‌دهد تا خواص فولادهای مارتنزیتی را با کنترل دمای شروع تبدیل مارتنزیت تنظیم کنند.
فولاد آستنیت مارتنزیت
فولاد آستنیت مارتنزیت نشان دهنده یک ریزساختار دو فازی است که مزایای هر دو فاز را ترکیب می‌کند. دستیابی به این ریزساختار شامل فرآیندهای عملیات حرارتی کنترل شده با هدف حفظ تعادل بین آستنیت و مارتنزیت است.
این ساختار دو فاز که با ترکیبی از استحکام بالا از مارتنزیت و شکل‌پذیری افزایش یافته از آستنیت گرفته میشود کاربردهایی پیدا می‌کند که ترکیبی از خواص مکانیکی بسیار مهم است. عملیات حرارتی کنترل‌شده امکان بهینه‌سازی نسبت هر فاز را فراهم می‌کند و در نتیجه ماده‌ای با مجموعه‌ای از ویژگی‌های منحصربه‌فرد ایجاد میشود.
تمپر مارتنزیت
برای کاهش شکنندگی مرتبط با مارتنزیت سرد شده، فرآیند تمپر کردن مارتنزیت وارد عمل میشود. تمپرینگ شامل گرم کردن مجدد مارتنزیت سخت شده تا محدوده دمایی خاص و به دنبال آن خنک سازی کنترل شده است. هدف اصلی تمپرینگ افزایش شکل‌پذیری و چقرمگی مواد با حفظ سطح قابل توجهی از سختی است.
مارتنزیت تمپر شده
اثرات تمپرینگ روی مارتنزیت عمیق است و منجر به تشکیل مارتنزیت تمپر شده میشود. این ساختار تمپر شده تعادلی بین سختی و چقرمگی ایجاد می‌کند و دامنه کاربردهای فولاد مارتنزیتی را گسترش می‌دهد. فرآیند تمپر مارتنزیت گامی مهم در مهندسی مواد است که امکان سفارشی‌سازی خواص مکانیکی را برای مطابقت با نیازهای صنعتی مختلف فراهم می‌کند.
ساختار مارتنزیت تمپر شده
مارتنزیت تمپر شده تغییرات ساختاری را ایجاد می‌کند که بر خواص آن تأثیر می‌گذارد. ساختار مارتنزیت تمپر شده شامل مارتنزیت سکوریت شده، فریت و سیمانیت بالقوه بسته به شرایط سکوریت است. این ساختار سکوریت سختی اولیه مارتنزیت را با افزایش انعطاف پذیری و چقرمگی متعادل می‌کند.
تمپرینگ فرآیندی دقیق است که امکان سفارشی سازی فولادهای مارتنزیتی را برای مناسب سازی کاربردهای خاص فراهم می‌کند. اثرات تمپر بر روی ریزساختار و خواص مواد، ملاحظات مهمی در اجزای مهندسی است که هم به استحکام و هم چقرمگی نیاز دارند.
ریزساختار و ساختار مارتنزیت چیست؟
ریزساختار مارتنزیت با ویژگی‌های سوزنی یا لت مانند آن مشخص میشود. این لت‌ها در نتیجه هسته زایی و رشد مارتنزیت در طی تبدیل از آستنیت به وجود می‌آیند. محل‌های هسته زایی به عنوان نقطه شروع رشد لت‌ها عمل می‌کنند که در سراسر ماده گسترش می‌یابند. آرایش این لت‌ها نقش مهمی در تعیین خواص مکانیکی فولاد مارتنزیتی به دست آمده ایفا می‌کند.
دوقلوهای تبدیل یکی دیگر از ویژگی‌های قابل توجه این ماده است که در طول رشد لت‌های مارتنزیت رخ می‌دهد. دوقلوها نقایص کریستالوگرافی هستند که ساختارهای آینه‌ای را در داخل ماده ایجاد می‌کنند. این دوقلوها با ممانعت از حرکت نابجایی به استحکام و سختی کلی مارتنزیت کمک می‌کنند و مقاومت ماده در برابر تغییر شکل را افزایش می‌دهند.
کاربرد مارتنزیت
ترکیب منحصر به فرد مارتنزیت از سختی، استحکام و مقاومت در برابر سایش، آن را در طیف متنوعی از کاربردها در صنایع مختلف ارزشمند می‌کند. یکی از کاربردهای برجسته آن در بخش خودروسازی است که در آن فولادهای با استحکام بالا که اغلب دارای مارتنزیت هستند در اجزای حیاتی مانند چرخ دنده، میل لنگ و سایر عناصر ساختاری استفاده می‌شوند. این قطعات نیروهای مکانیکی شدید را تحمل می‌کنند و از خواص مکانیکی استثنایی مارتنزیت بهره می‌برند که به افزایش دوام و عملکرد در وسایل نقلیه کمک می‌کند.
صنعت هوافضا نیز از فولادهای مارتنزیتی برای اجزای تحت شرایط چالش برانگیز مانند سکوی فرود، پره‌های توربین و عناصر ساختاری در هواپیما استفاده می‌کند. استحکام و مقاومت بالای مارتنزیت در برابر خستگی، آن را برای کاربردهایی که مواد باید در برابر بارهای مکانیکی سخت و محیط‌های خشن مقاومت کنند مناسب می‌سازد. صنایع ابزارسازی برای ایجاد لبه‌های برنده تیز و بادوام به فولادهای مارتنزیتی متکی هستند. سختی مارتنزیت تضمین می‌کند این ابزارها حتی در صورت استفاده مکرر لبه خود را حفظ می‌کنند و طول عمر و قابلیت اطمینان را ارائه می‌دهند.
جمع‌بندی
مارتنزیت سنگ بنای قلمرو علم و مهندسی مواد است و از فرآیندهای دگرگون‌کننده و تفاوت‌های ریزساختاری تا خواص بی‌نظیری که آن را به ماده‌ای پرطرفدار تبدیل می‌کند، همچنان به شکل‌دهی به صنایع و نوآوری‌ها ادامه می‌دهد. ترکیب منحصر به فرد سختی، استحکام و مقاومت در برابر سایش، فولادهای مارتنزیتی را به اجزای ضروری در کاربردهای مختلف از مهندسی خودرو گرفته تا فناوری‌های هوافضا تبدیل می‌کند. دستکاری کنترل‌شده ترکیب آلیاژ، سرعت خنک‌سازی و مراحل تبدیل به مارتنزیت امکان می‌دهد تا نیازهای متنوع مهندسی مدرن را برآورده کند.
فلزات, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 16 آذر 1402
