Металлообрабатывающая компания VT-METALL Гибкий подход – железное качество
Звоните, мы сейчас работаем:
25.09.2022
Свойства металлов
250
Время чтения: 10 минут

Мартенситная сталь: характеристики, сферы применения

Редакция сайта VT-Metall
Сохранить статью:

Из этого материала вы узнаете:

  • Общая характеристика мартенситной стали
  • Структура мартенситной стали
  • Свойства мартенситной стали
  • Виды закалки на мартенсит
  • Область применения мартенситной стали

Мартенситная сталь получается в процессе переохлаждения аустенитной фазы. В качестве исходного материала используется сталь, процент углерода в которой больше 0,3. Легирование вольфрамом, хромом, ниобием и другими металлами придает большую жаропрочность и улучшает механические свойства.

Мартенситная сталь применяется для изготовления деталей, на которые будут действовать агрессивная среда и большая нагрузка. Несмотря на трудности в процессе сварки, соединение получается надежным, в том числе при сварке без подогрева. О том, какую структуру и свойства имеет мартенситная сталь, какие марки производят и где ее применяют, читайте в нашем материале.

Общая характеристика мартенситной стали

Мартенситы представляют собой игольчатую микроструктуру, которая образуется в структуре стали при закалке. Выглядит это как скопление иголок железа, образующих углы около 60°. Мартенсит – твердый раствор углерода в железе. Первым это фазовое состояние металла описал Мартин Мартенс, в честь которого и назвали открытую им структуру.

Мартенситы отличают большая прочность, которая возрастает с увеличением удельной концентрации углерода, но только до определенных значений. По достижении критической отметки начинается снижение прочности. Дальнейшее увеличение процентного содержания углерода ведет к возрастанию хрупкости.

В начале XX века в Советском Союзе были проведены исследования, в результате которых ученые пришли к выводу, что причинами специфических характеристик стали мартенситного класса выступают:

  • относительно маленькие размеры блоков, составляющих строение мартенситов;
  • устойчивое положение атомов в структурной решетке мартенситов;
  • образующиеся при закалке мелкие частицы, препятствующие взаимному смещению слоев.
 

Твердость получаемых при закалке сплавов изменчива, она зависит от температурного режима. Нагрев, остывание металла, временные интервалы при термообработке меняют твердость в диапазоне от 35 до 70 единиц по Роквеллу. От других фаз мартенситы отличаются также большим удельным объемом, величина которого значительно превосходит этот показатель у других фазовых состояний стали.

Мартенситное превращение в углеродистой стали, как следует из сказанного выше, вызывает серьезное увеличение объема. Что в свою очередь может стать причиной возникновения зон с повышенным внутренним напряжением и впоследствии привести к образованию микротрещин.

Структура мартенситной стали

Мартенситная сталь имеет тетрагональную структуру, в которой атомам железа отведено место в узлах решетки, а атомами углерода заполнен объем ячеек, имеющих форму прямоугольных параллелепипедов. В неравновесной структуре такого сплава имеются зоны больших внутренних напряжений, способствующие дополнительному увеличению твердости и прочности.

2-min.jpg

Термообработка разных видов мартенситной стали, которая заключается в их нагреве, приводит к диффузному перераспределению атомов углерода и возникновению двух фазовых состояний: феррита с очень низкой углеродистостью, не превышающей 0,02 %, и цементита (6,67 %). Кубические структурные ячейки феррита включают в себя объемноцентрированные атомы железа, которые распределяются по вершинам и центрам ячеек. Для цементита характерна ромбическая форма граней ячеек.

Для мартенсита характерна призмовидная форма кристаллов. Процентное содержание углерода и легирующих добавок влияет на длину таких призм и площадь их оснований. С увеличением длины структурных ячеек и уменьшением их оснований растут прочность и твердость металла. Упругость решетки и низкая подвижность атомов ведут к координированному смещению атомов на расстояние, не превышающее межатомное, и мартенситному превращению.

Как уже говорилось, мартенситы отличают высокие механические показатели. Кристаллическая решетка сплава искажается и приобретает большую тетрагональность по мере роста процентного содержания в ней углерода. Такое искажение и ведет к повышению твердости и прочности металла.

Однако у такого изменения механических свойств сплавов имеется обратная сторона. Мартенситное преобразование приводит к снижению пластичности и возрастанию склонности к хрупкому разрушению.

Свойства мартенситной стали

Мартенситная сталь тяжело поддается механической обработке, в частности, резке. Для того чтобы металл можно было подвергнуть обработке, его отжигают при температуре +800…+900 °С.

3-min.jpg

В качестве легирующих присадок к различным видам мартенситной стали чаще всего используют вольфрам, никель или молибден, которые повышают термостойкость, коррозионную устойчивость металла и его сопротивляемость воздействиям других агрессивных факторов.

Сталь в результате мартенситного преобразования приобретает также способность к самозакаливанию. Прочность металла возрастает самопроизвольно в результате воздействия высокой температуры.

Виды мартенситной стали относят к ограниченно свариваемым (третья группа). Сварка деталей при этом производится после преднагрева в диапазоне температуры +200…+300 °С с последующим отжигом. Дело в том, что при сваривании деталей из мартенситной стали велика вероятность холодного растрескивания шва и особенно околошовной зоны, которое происходит из-за наличия зон с повышенным внутренним напряжением в структуре металла.

Чаще всего в этом случае пользуются дуговой сваркой в среде аргона, электрошлаковым методом и сваркой с применением флюса. Также существуют специальные электроды, с помощью которых осуществляется ручная дуговая сварка мартенситной стали.

Мартенситная сталь получила широкое распространение в промышленном производстве благодаря своим механическим характеристикам. Например, у стали марки 15Х5, из которой изготавливают сосуды высокого давления, прочность на разрыв достигает 400 МПа.

В жаропрочные марки стали добавляют в качестве легирующих добавок вольфрам и ванадий. Сталь марки 10ХМФБ, помимо способности работать при экстремальной температуре, имеет прочность на разрыв до 600 МПа. Из нее изготавливают коллекторы, трубы и нагревательные котлы.

Для дополнительного улучшения механических характеристик марок мартенситной стали в их состав вводят бериллий. Сталь 14Х11В2МФ имеет прочность на разрыв в районе 850 МПа. Детали из этого сплава применяют в конструкциях, эксплуатируемых под интенсивными температурными и механическими нагрузками. Такой металл идет на изготовление корпусов и роторов газовых или паровых турбин, из него также выполняют лопатки в турбовинтовых компрессорах.

Мартенситные сплавы с умеренным процентным содержанием углерода обладают неплохой упругостью и отлично справляются с ударными нагрузками. В зависимости от того, каким был режим термообработки и химического состава металла, значения ударной вязкости могут варьировать в диапазоне от 80 до 150 Дж/см2. Наиболее высоких показателей ударной вязкости удается достичь с помощью закалки и последующего высокого отпуска.

К достоинствам мартенситных марок стали нельзя отнести высокую пластичность. Значения удельного сжатия для таких сплавов колеблются в пределах не выше 14–24 %. На пластичность металла главным образом влияет процентное содержание углерода, никеля и меди в его составе.

Для мартенситных марок стали, являющихся истинными ферромагнетиками, характерны высокие магнитные свойства. Недостаточные показатели по этим характеристикам могут быть обусловлены сложностью выдерживания идеального соотношения химических составляющих. Мартенситные сплавы с легирующими добавками, такими как молибден, кобальт и хром, относятся к магнитотвердым металлам.

Наилучший эффект для улучшения магнитных свойств металла дает добавление в его состав кобальта. Увеличение остаточной индукции сплава при этом происходит за счет того, что атомы этого химического элемента обладают собственным магнитным моментом. Относительно невысокая стоимость, хорошая механическая и термическая обрабатываемость позволяют широко применять мартенситные сплавы в качестве материала для деталей магнитных систем.

Изначально мартенситное преобразование было открыто в ходе экспериментов по улучшению механических свойств стальных сплавов, однако в дальнейшем выяснилось, что соответствующая обработка позволяет добиться проявления подобных качеств и у других полиморфных кристаллических материалов.

Уменьшение деформаций или полное их устранение в ходе обратного течения мартенситного преобразования сплава или эффект памяти наряду с другими явлениями, связанными с мартенситным преобразованием материалов, называют «необычными физико-механическими свойствами».

Эффектом памяти формы в наши дни часто пользуются при изготовлении гидравлических муфт для кораблей и самолетов, различных демпферов и температурных реле. Современная медицина применяет такие изделия для лечения сколиозов, переломов костей, изготовления искусственных сердечных клапанов и стоматологических имплантатов.

Виды закалки мартенсита

Закалка мартенситных сталей – особая термическая обработка, которую осуществляют путем быстрого нагрева до температуры выше соответствующей критической точки с последующим быстрым охлаждением. При понижении температуры более чем на 200 °С в секунду, как правило, это охлаждение водой, в структуре металла происходит мартенситное превращение.

4-min.jpg

Главными механическими свойствами такого сплава являются высокие показатели прочности и твердости, которых удается достичь путем высокоскоростного закаливания.

Мартенсит в кристаллической решетке металла может быть:

  • реечным;
  • пластинчатым.

Формирование реечного или дислокационного мартенсита характерно для сталей с содержанием углерода в низких и средних концентрациях. Еще одним условием для образования реечной мартенситной структуры может быть высокое процентное содержание легирующих добавок. Мартенситные превращения стали при закалке возможны при температуре от +300 °С.

Образование пластинчатой или двойниковой мартенситной структуры происходит при температуре, не превышающей +200 °С в высокоуглеродистых легированных сплавах.

Область применения мартенситной стали

Мартенситная нержавеющая сталь в силу своих выдающихся, а порой и уникальных механических и химических свойств нашла широкое применение в промышленном производстве. Из нее выполняют детали, которые будут эксплуатироваться в экстремальных условиях.

5-min.jpg

Такая сталь идет на изготовление:

  1. роторов, диафрагм, лопаток, деталей корпуса и других частей газотурбинных и паровых установок;
  2. деталей сварочного оборудования;
  3. сосудов высокого давления, выдерживающих нагрузку до 16 МПа;
  4. комплектующих насосов высокого давления;
  5. пружин, работающих под высокими нагрузками;
  6. ответственных деталей трубопроводных магистралей, коллекторов, рассчитанных на работу под высокой температуре и давлением пара;
  7. режущих, измерительных, обрабатывающих и многих других инструментов;
  8. медицинского оборудования и инструментария.

Главные недостатки мартенситных сплавов кроются в том, что такой металл плохо поддается слесарной обработке и свариванию. Как было сказано выше, качественная сварка деталей из такой стали возможна только с применением специальных расходных материалов и/или в особых средах.

Начатые в середине XX века в нашей стране исследования свойств мартенситов, когда учеными впервые были разработаны методы бездиффузионного мартенситного преобразования структуры металла, успешно продолжаются и сегодня.

Уникальные физические и химические свойства мартенситной стали находят широкое применение в высокотехнологичных производственных процессах. Такие материалы эффективно используются в оборонной, авиакосмической, приборостроительной промышленности, в электронике, медицине, косметологии, робототехнике и в ряде других направлений.

Читайте также
Получить бесплатный чертеж

Получить бесплатный чертеж

Скачать прайс

Скачать прайс

Пересчет проекта

Пересчет проекта

Позвонить бесплатно

Позвонить бесплатно

Скачать прайс

Скачать
прайс

Написать WhatsApp

Написать WhatsApp

Яндекс.Метрика