مارتنزیت: تفاوت میان نسخه‌ها

'''مارتنزیت''' {{به انگلیسی|Martensite}} فازی است که با یک [[تبدیل بدون انتشار،پراکندگی]]، و برشی آستنیت در فولادها شکل می‌گیرد و ساختار اصلی فولادهای سخت شده‌است. از آنجایی که مارتنزیت در شرایط تعادل شکل نمی‌گیرد، در [[نمودار فازی آهن-کربن|نمودار آهن-کربن]] نیز نشان داده نمی‌شود. به‌طور کلی برای ایجاد مارتنزیت باید یک خنک کاری سریع تا زیر ''دمای بحرانی پایین'' (A₁) انجام شود. همان‌طور که از نمودار آهن-کربن نیز انتظار می‌رود اگر فولاد تا زیر دمای A₁ گرم شود، مارتنزیت در نهایت به فازهای [[سمنتیت]] و [[فریت]] تجزیه می‌شود.<ref name=":12">{{یادکرد کتاب|عنوان=ASM Handbook: Steel heat treating, fundamentals and processes. Volume 4A|سال=2013|ناشر=ASM International|نویسنده=Jon L. Dossett, George E. Totten|صص=13}}</ref>

مارتنزیت در [[فولاد کربنی|فولادهای کربنی]] با [[آبدهی (مکانیک)|خنک کردن]] سریع (quenching) [[آهن]] با ساختار [[آستنیت|آستنیتی]] بدست می‌آید. سرعت این خنک کاری بقدری بالا است که اتم‌های کربن فرصت لازم برای پخش شدن به مقادیر کافی در ساختار کریستالی و تشکیل [[سمنتیت]] (Fe₃C) را پیدا نمی‌کنند. آستنیت، آهن فاز-گاما (γ-Fe)، یک محلول جامد از آهن و عناصر [[آلیاژ|آلیاژی]] است. آستنیت با ساختار مکعب مربعی مرکز-وجهی (FCCfcc)، پس از کوئنچ شدن (خنک کاری بسیار سریع) به ساختاری مکعب مستطیلی مرکز بدنی (bct) شدیداً کشیده شده به نام مارتنزیت تبدیل می‌شود که با کربنکربن، فوق اشباع شده‌است. تغییر شکل ایجاد شده تعداد زیادی نابجایی (dislocation) ایجاد می‌کند، که مکانیزم اصلی سخت شدن فولادها است. بالاترین سختی فولادهای [[پرلیت|پرلیتی]] نهایتاً می‌تواند ۴۰۰ [[سختی برینل|برینل]] باشد در حالی که سختی فولادهای مارتنزیتی تا ۷۰۰ برینل نیز می‌رسد.<ref name="Marks'">{{cite book|last=Baumeister, Avallone, Baumeister|title=Marks' Standard Handbook for Mechanical Engineers, 8th ed.|year=1978|url=https://archive.org/details/marksstandardhan00baum|publisher=McGraw Hill|isbn=978-0-07-004123-3|chapter=6|pages=[https://archive.org/details/marksstandardhan00baum/page/n16 17], 18}}</ref>

واکنش مارتنزیتی در هنگام خنک شدن شروع می‌شودمی‌شود، یعنی زمانی که آستنیت به دمای '''شروع مارتنزیت''' (M_s) می‌رسد و آستنیت مادر به‌طور مکانیکی ناپایدار می‌شود. همان‌طور کهوقتی نمونه خنککوئنچ می‌شود،می شود، درصد قابل توجهی از آستنیت به مارتنزیت تبدیل می‌شود تا زمانی که دمای کمتر از تبدیل (M_f) به دست آید، که در آن زمان تبدیل به پایان می‌رسد.<ref name="A.Q. Khan, University of Leuven, Belgium">{{citation|last=Khan|first=Abdul Qadeer|author-link =Abdul Qadeer Khan|last2=|first2=|author2-link=|title=The effect of morphology on the strength of copper-based martensites,|place=Leuven, Belgium|publisher=A.Q. Khan, University of Leuven, Belgium|series=|volume=1| origyear =1972|date=March 1972|edition=1|chapter=3|chapterurl=|page=| pages=300|language=German, English|url=|archiveurl=| archivedate=|doi=|id=|isbn=|mr=|zbl=|jfm=}}</ref>

در فولاد یوتکتوئید[[سیستم یوتکتیک|یوتکتوید]] (یعنی فولاد حاوی ۰٫۷۸٪ کربن)، ۶ تا ۱۰٪ از آستنیت، که آستنیت حفظ شده نامیده می‌شود، باقی خواهد ماند. درصد آستنیت حفظ شده از مقدار ناچیزی برای فولادهای حاوی ۰٫۶٪ کربن افزایش یافته و به ۱۳٪ آستنیت حفظ شده در فولاد حاوی ۰٫۹۵٪ کربن خواهد رسید. مقدار آستنیت حفظ شده برای فولاد کربنی حاوی ۱٫۴٪ کربن به ۳۰ تا ۴۷٪ می‌رسد. برای ایجاد مارتنزیت، نیاز به یک خنک کاری بسیار سریع داریم. در یک قطعه فولاد کربنی یوتکتیک با مقطع نازک، اگر کوئنچینگ از دمای ۷۵۰ درجه سلسیوس تا دمای ۴۵۰ درجه سلسیوس در ۰٫۷ ثانیه اتفاق بیفتد (یعنی با نرخ ۴۳۰ درجه سلسیوس بر ثانیه)، هیچ پرلیتی ایجاد نخواهد شد و یک فولاد مارتنزیتی با مقدار کمی آستنیت حفظ شده ایجادخواهیم خواهد شدداشت.<ref name="Marks'"/>

در فولادهای حاوی ۰ تا ۰٫۶٪ کربن، مارتنزیت ظاهری شبیه به توفال دارد و به همین دلیل به آن '''مارتنزیت توفالی''' (lath martensite) گفته می‌شود. در فولادهایی با بیش از ۱٪ کربن، مارتنزیت ساختاری شبیه ورق یا صفحه خواهد داشتدارد و به همین دلیل '''مارتنزیت صفحه ای''' (plate martensite) خوانده می‌شود. بین این دو درصد، ظاهر فیزیکی دانه‌ها مخلوطی از هر دو است. هر چه مقدار آستنیت حفظ شده رشد می‌کند، استحکام مارتنزیت کاهش می‌یابد. اگر نرخ خنک سازی کمتر از نرخ خنک سازی بحرانی باشد، مقدار کمی پرلیت تشکیل خواهد شد. این پرلیت از مرزهای دانه شروع به رشد کرده و به سمت داخل دانه حرکت خواهد کرد تا زمانی که درجه حرارت به M_s برسد، سپس آستنیت باقی‌مانده با سرعتی نزدیک به نصف [[سرعت صوت]] در فولاد تبدیل به مارتنزیت می‌شود.

در برخی [[فولاد آلیاژی|فولادهای آلیاژی]] خاص، مارتنزیت را می‌توان از طریق [[شکل‌دهی (فلزکاری)|شکل دهی]] فولاد در دمای M_s و سپس کوئنچ کردن آن تا زیر دمای M_s و سپس شکل دهی به آن به صورت [[تغییر شکل پلاستیک]] تا زمانی که سطح مقطع به ۲۰ تا ۴۰٪ سطح مقطع قطعه اصلیاولیه برسد، تولید کرد. این فرایند می‌تواند باعث افزایش چگالی نابجایی‌ها تا 10¹³ عدد در هر سانتیمتر مربع شود. تعداد زیاد این نابجایی‌ها به همراه رسوبات ایجاد شده که این نابجایی‌ها را به محل میخ می‌کنند، باعث تولید یک فولاد بسیار سخت می‌شود. این شیوه به‌طور معمول در تولید سرامیک‌های سخت مانند [[زیرکونیا اتریا-ثاتب]] (Yttria-stabilized zirconia) یا تولید فولادهای خاص مانند [[فولاد تریپ|فولادهای TRIP]] استفاده می‌شود؛ در نتیجه، مارتنزیت را می‌توان هم با روش‌های گرمایی یاو هم یا روش‌های تنشی ایجاد کرد.<ref name="A.Q. Khan, University of Leuven, Belgium"/><ref name="Verhoeven">{{cite book|last=Verhoeven|first=John D.|title=Steel Metallurgy for the Non-Metallurgist|year=2007|publisher=American Society for Metals|isbn=978-0-87170-858-8|pages=26–31}}</ref>

یکی از تفاوت‌های اینفازهای دوآستنیت فازو مارتنزیت این است که مارتنزیت دارای [[ساختار بلوری]] متشکل''مکعب ازBCTمستطیلی مرکز بدنی'' (bct) است، در حالی که آستنیت دارای ساختار FCC''مکعب مربعی مرکز وجهی'' (fcc) است. انتقال بین این دو ساختار نیاز به [[انرژی فعال سازی]] حرارتی بسیار کمکمی دارد، زیرا این یک [[تبدیل بدون نفوذپراکندگی]] است که منجر به بازسازی ظریف اما سریع موقعیت اتمی می‌شود و حتی در دماهای سرد[[فوق سردشناسی|کرایوژنیک]] نیز دیده می‌شود.<ref name="A.Q. Khan, University of Leuven, Belgium"/><ref name="EM2">{{cite book|last=Ashby|first=Michael F.|authorlink=M. F. Ashby|author2=David R. H. Jones|title=Engineering Materials 2 |url=https://archive.org/details/engineeringmater0000ashb_g7u9|origyear=1986|edition=with corrections|year=1992|publisher=Pergamon Press|location=Oxford|isbn=0-08-032532-7}}</ref> مارتنزیت دارای چگالی کمتری نسبت به آستنیت است، پس مارتنزیتی شدن استنیتآستنیت منجر به تغییر نسبی حجم می‌شود. بسیار مهمتر از تغییر حجم، کرنش برشی است که مقداری حدود ۰٫۲۶ دارد و تعیین کننده شکل صفحات مارتنزیت را تعیین می‌کنداست.<ref name="EM3">{{cite book|last=Bhadeshia|first=H. K. D. H.|authorlink=Harry Bhadeshia|title=Geometry of Crystals |origyear=2001|edition=with corrections|year=2001|publisher=Institute of Materials|location=London|isbn=0-904357-94-5}}</ref>