Cosa rende la martensite così vitale per il rafforzamento dell'acciaio e come le sue diverse forme influiscono sulle sue proprietà? Questo articolo esplora le diverse morfologie della martensite, tra cui la martensite a listelli, a scaglie, a farfalla e ε', e le loro caratteristiche uniche. La comprensione di queste variazioni consente di capire come ciascun tipo influenzi le proprietà meccaniche dell'acciaio, essenziali per le applicazioni che richiedono resistenza e tenacità specifiche.
La struttura della martensite ottenuta con la tempra svolge un ruolo fondamentale nel conferire resistenza e tenacità all'acciaio.
Tuttavia, a causa delle variazioni nel tipo, nella composizione e nelle condizioni di trattamento termico dell'acciaio, la morfologia, la struttura fine interna e la suscettibilità alle microcricche della martensite bonificata possono variare in modo significativo.
Questi cambiamenti hanno un profondo impatto sulle proprietà meccaniche della martensite.
Pertanto, è indispensabile conoscere a fondo le caratteristiche morfologiche della martensite e comprendere i diversi fattori che ne influenzano la morfologia.
La morfologia e la struttura fine della martensite sono state ampiamente studiate utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione su film sottile.
La ricerca ha rivelato che, sebbene la morfologia della martensite nell'acciaio possa essere varia, le sue caratteristiche possono essere tipicamente suddivise nelle seguenti categorie:
La martensite a listelli è una struttura martensitica comune che si forma negli acciai a basso e medio tenore di carbonio, negli acciai maraging, negli acciai inossidabili e in altre leghe a base di ferro.
La Figura 1 illustra la struttura tipica della martensite dei listelli nell'acciaio dolce.
Fig. 1 Striscia di martensite 100X a basso tenore di carbonio Acciaio legato (0,03% C, 2% Mn)
La microstruttura di alcuni acciai è costituita da numerosi gruppi di listelli, per questo viene definita martensite a listelli.
In alcuni casi, il listello non è facilmente esposto o inciso e appare invece a blocchi, il che porta al nome alternativo di martensite a blocchi.
Poiché la sottostruttura principale di questo tipo di martensite è la dislocazione, viene comunemente chiamata martensite da dislocazione.
La martensite a grappolo è composta da diversi gruppi di listelli, con ogni gruppo di listelli costituito da più strisce di dimensioni approssimativamente uguali disposte approssimativamente parallele l'una all'altra in una particolare direzione.
La Figura 2 evidenzia la dislocazione ad alta densità all'interno dei listelli, caratteristica della martensite dei listelli.
Fig. 2 Microstruttura di trasmissione del film sottile a bassa acciaio legato al carbonio (0,03% C, 2% Mn) 20000X
Inoltre, all'interno dei listelli possono essere presenti gemelli di trasformazione di fase, ma sono tipicamente localizzati e non presenti in quantità significative, né costituiscono la forma principale di struttura fine.
La relazione di orientamento cristallino tra la martensite a listelli e il suo genitore austenite è tipicamente indicata come relazione Kurdjumov-Sachs (K-S), con il piano di habitus che è (111)γ.
Tuttavia, nel caso dell'acciaio inossidabile 18-8, il piano abituale della martensite dei listelli è (225)γ.
La Figura 3 illustra le caratteristiche cristallografiche della microstruttura della martensite dei listelli, come determinato dalla ricerca.
Fig. 3 Schema delle caratteristiche cristallografiche della microstruttura della martensite dei listelli
Un'ampia area composta da fasci di martensite disposti in parallelo viene definita gruppo di lamelle ed è indicata da A.
Un singolo grano di austenite primaria può contenere diversi gruppi di lamelle, in genere da 3 a 5.
Ogni gruppo di strisce può essere suddiviso in più regioni parallele, come la B mostrata in figura.
In alcuni casi, quando si utilizzano determinate soluzioni per la corrosione, è visibile solo il confine del gruppo di lamelle, con conseguente aspetto a blocchi della microstruttura, da cui il nome di martensite a blocchi.
Quando si utilizzano tecniche di mordenzatura del colore, come 100cc HCl + 5g CaCl2 + 100cc CH3Nella soluzione CH si possono osservare toni bianchi e neri all'interno del gruppo di listelli.
Le regioni con la stessa tonalità corrispondono a listelli di martensite con la stessa orientazione e sono denominate travi omotropiche.
Secondo la relazione di orientamento Kurdjumov-Sachs (K-S), la martensite può presentare 24 orientamenti diversi nell'austenite madre, tra cui sei orientamenti che possono generare martensite in parallelo (si veda la Figura 4).
Fig. 4 Martensite (111) nell'acciaio γ Possibile orientamento durante la formatura sul piano
Un fascio isopatico si riferisce a un fascio di listelli che sono stati trasformati da uno dei listelli.
Diversi fasci paralleli e collineari si combinano per formare un gruppo di strisce.
Alcuni ricercatori suggeriscono che all'interno di un gruppo di listelli, solo due gruppi possono alternare le loro posizioni.
Pertanto, un gruppo di listelli è tipicamente composto da due gruppi di listelli allineati che si alternano l'uno con l'altro e possono anche alternarsi tra loro in corrispondenza di confini di grano a grande angolo. Tuttavia, ci sono casi in cui il gruppo di listelli è composto principalmente da un singolo tipo di fascio omotropico, come illustrato in C nella Figura 3.
Un fascio allineato è costituito da strisce disposte in parallelo, come rappresentato in D nella Figura 3.
Questo scenario può essere osservato attraverso la microscopia elettronica, come dimostrato nella Figura 5.
Fig. 5 Alcune microstrutture nel fascio isotropo di martensite a listelli in lega Fe-0,2% C (micrografia elettronica a trasmissione)
In base ai risultati della ricerca sulla lega Fe-0,2% C, la distribuzione dell'ampiezza della striscia è una distribuzione lognormale, come mostrato nella Fig. 6.
Fig. 6 Distribuzione delle strisce di film e tecnologia di replica
Come osservato dalla figura, la larghezza dei listelli con la più alta frequenza di occorrenza varia da 0,15 a 0,20μm e la curva di distribuzione è fortemente inclinata verso i listelli di dimensioni più piccole. Tuttavia, una piccola percentuale di listelli ha una larghezza compresa tra 1 e 2μm.
La Figura 7 illustra che i listelli più grandi sono spesso distribuiti in tutto il fascio di listelli, una caratteristica fondamentale della microstruttura del fascio di listelli.
Fig. 7 Microstruttura della martensite dei listelli in lega Fe-0,2% C (micrografia elettronica a trasmissione)
I risultati sperimentali indicano che la modifica della temperatura di austenitizzazione altera la dimensione dei grani di austenite, ma ha un impatto minimo sulla distribuzione della larghezza del listello.
Tuttavia, la dimensione del gruppo di lamelle aumenta con l'aumentare della dimensione del grano austenitico, mentre il rapporto tra i due rimane approssimativamente costante. Pertanto, il numero di gruppi lamellari generati in un grano austenitico rimane tipicamente invariato.
Le misure al microscopio elettronico a film sottile mostrano che l'area del confine del listello nell'unità di volume della martensite è di circa 65000 cm²/cm³.
L'area dei confini dei cristalli a piccolo angolo nel fascio di lamelle è circa 5 volte quella dei confini dei cristalli a grande angolo.
Nella lega Fe-Cr-Ni basata sull'acciaio inossidabile 18-8, possono essere generate sia la martensite a listelli che la ε'-martensite (reticolo esagonale strettamente impacchettato), con il risultato di una microstruttura che differisce significativamente da quella della lega Fe-C, come mostrato nella Figura 8.
Fig. 8 Microstruttura della lega Fe-15% Cr-12&Ni (Ms=- 90°) martensite a listello (acqua regia, corrosione con glicerina)
La struttura non contiene gruppi di listelli o fasci simposiali; piuttosto, si crea come un sottile gruppo di listelli che circonda un foglio di ε'-martensite (come mostrato nelle strisce parallele della figura).
Tuttavia, la struttura al microscopio elettronico di questa martensite a listelli è identica a quella riscontrata nelle leghe di Fe-C e Fe-Ni.
Un'altra struttura tipica della martensite nelle leghe della serie del ferro è la martensite lamellare, che si trova comunemente negli acciai temprati ad alto e medio tenore di carbonio e nelle leghe ad alto tenore di Ni Fe Ni.
La tipica struttura lamellare della martensite in acciaio ad alto tenore di carbonio è mostrato nella Fig. 9.
Fig. 9 Struttura di tempra surriscaldata dell'acciaio T12A 400X (riscaldato a 1000 ℃, temprato in acqua)
Questo tipo specifico di martensite è conosciuto con vari nomi, come martensite lenticolare, per la sua forma biconvessa simile a una lente. Viene anche chiamata martensite aciculare o martensite a foglia di bambù, perché quando viene osservata al microscopio intersecando la superficie di rettifica del campione, appare come strutture a forma di ago o di foglia di bambù.
La sottostruttura della martensite lamellare è composta principalmente da gemelli, per cui viene chiamata anche martensite gemellare. La microstruttura della martensite lamellare è caratterizzata dal fatto che le lamelle non sono parallele tra loro.
Quando un grano austenitico con composizione uniforme viene raffreddato a una temperatura leggermente inferiore a Ms, la martensite di prima formazione attraversa l'intero grano austenitico e lo divide in due metà. Questo limita le dimensioni della martensite formatasi successivamente, dando luogo a dimensioni variabili della martensite lamellare. Come illustrato nella Figura 10, i fiocchi di martensite formati successivamente tendono a essere più piccoli.
Fig. 10 Microstruttura della martensite lamellare
La dimensione delle scaglie dipende quasi interamente dalla dimensione dei grani dell'austenite.
La martensite sfaldata è spesso visibile con un'evidente cresta centrale (vedi Fig. 11).
Fig. 11 Martensite a scaglie (con evidente cresta centrale, acciaio T12 carburato a 1200 ℃ per 5 ore e temprato a 180 ℃)
Attualmente, la regola di formazione delle creste medie non è ben definita.
Il piano di habitus della martensite lamellare è (225) γ o (259) γ. La relazione di orientamento con la fase madre è la relazione Kurdjumov-Sachs (K-S) o la relazione Xishan.
Come mostrato nella Figura 12, la martensite contiene numerose linee sottili che sono cristalli di Luan di trasformazione, mentre le sottili nervature a bande nella parte centrale del giunto sono creste intermedie.
Fig. 12 Struttura TEM della martensite lamellare
L'esistenza del cristallo di trasformazione di Lüders è una caratteristica importante della martensite lamellare.
La spaziatura dei cristalli di Lüders è di circa 50 Å e di solito non si estende al confine della martensite.
Il bordo della lamina presenta una complessa matrice di dislocazioni, che generalmente si ritiene siano dislocazioni a vite disposte regolarmente nella direzione [111] α´.
Il cristallo di Lüders di trasformazione nella martensite lamellare è generalmente un cristallo di Lüders (112)α´.
Tuttavia, nella lega Fe-1,82% C (c/a=1,08), un cristallo di Lüders (110) si mescolerà con un cristallo di Lüders (112)α´.
A seconda della struttura interna della martensite lamellare, essa può essere suddivisa in un'area gemellare di trasformazione (parte centrale) centrata sulla cresta centrale e in un'area priva di gemelle (nella parte circostante della lamella sono presenti dislocazioni).
La proporzione di zone gemelle varia in base alla composizione della lega.
Nelle leghe Fe-Ni, quanto più alto è il contenuto di Ni (quanto più bassa è la Punto Ms), più grande è la zona gemella.
Secondo le ricerche sulla lega Fe-Ni-C, anche per una lega con la stessa composizione, la proporzione della zona gemellare aumenta con la diminuzione del punto Ms (causata ad esempio dalla variazione della temperatura di austenitizzazione).
Tuttavia, la densità dei gemelli di trasformazione non cambia quasi mai e lo spessore dei gemelli rimane di circa 50 Å.
La martensite a lamelle e la martensite lamellare sono le due morfologie di base della martensite negli acciai e nelle leghe.
Le loro caratteristiche morfologiche e cristallografiche sono elencate nella Tabella 1.
Tabella 1 Tipi e caratteristiche della martensite nelle leghe ferro-carbonio
| Caratteristiche | Martensite dei listelli | Martensite lamellare | |
| Superficie abituale | （111） γ | （225） γ | （259） γ |
| relazione di orientamento | Relazione K-S (111) γ lll（110） α 【110】 γ 【111】 α.' | Relazione K-S (111) γ lll（110） α 【110】 γ 【111】 α.' | Relazione Xishan (111) yll (110) α.' 【211】 γ ll【110】 α.' |
| Temperatura di formazione | M>350℃ | M≈200~100℃ | M.<100℃ |
| Composizione della lega% C | <0.3 | 1~1.4 | 1.4~2 |
| Chiuso a 0,3~1 | |||
| Istomorfologia | Le lamelle sono solitamente disposte in gruppi paralleli dal confine del grano austenitico all'interno del grano, e la larghezza delle lamelle è solitamente 0,1~0,2 μ, la lunghezza inferiore a 10 μ. Un grano austenitico contiene diversi gruppi di lamelle. Esistono confini di grano a piccolo angolo tra i corpi dei listelli e confini di grano a grande angolo tra i gruppi di listelli. | La lamella convessa (o ago, foglia di bambù) è leggermente più spessa al centro, quella primaria è più spessa e lunga e attraversa i grani di austenite, mentre quella secondaria è più piccola. Tra le lamelle primarie e il confine dei grani di austenite, l'angolo tra le lamelle è grande e si scontrano tra loro formando microfratture. | Sulla stessa sinistra, c'è una cresta centrale al centro della fetta, e fette sottili con distribuzione a zig-zag sono comuni tra le due fette primarie. |
| Sottostruttura | Rete di dislocazione (entanglement), la densità di dislocazione aumenta con contenuto di carbonio, di solito (0,3~0,9) × Una piccola quantità di gemelli fini può talvolta essere vista a 1012cm/cm3. | I gemelli fini con una larghezza di circa 50 ｜ formano le regioni di trasformazione Lie e twin con la cresta centrale come centro. Quando il punto M diminuisce, la regione gemellare di trasformazione aumenta e il bordo della lamina è una matrice di dislocazioni complesse. Il piano gemellare è (112) α ※, la direzione gemellare è [11I] α ´ | |
| Processo formativo | Nucleazione per raffreddamento, nuovi fogli di martensite (listelli) vengono prodotti solo durante il raffreddamento | ||
| La velocità di crescita è bassa e un listello si forma in circa 10-4s. | La velocità di crescita è elevata e la lastra si forma in circa 10-7s. | ||
| Non vi è alcuna trasformazione "esplosiva" e la velocità di trasformazione per raffreddamento è di circa 1%/℃ entro meno di 50% della quantità di trasformazione. | Quando M<0 ℃, si verifica una trasformazione "esplosiva" e la nuova lamina di martensite non si produce uniformemente con il calo di temperatura, ma a causa dell'effetto di autoinnesco, si forma in gruppi (a forma di "Z") in modo continuo e massiccio in un intervallo di temperatura molto ridotto, accompagnato da un aumento di temperatura di 20~30 ℃. | ||
3.1 Martensite a farfalla
Nelle leghe di Fe Ni o Fe Ni C, quando si forma la martensite entro un certo intervallo di temperatura, compare una martensite con una morfologia particolare, come mostrato nella Fig. 13.
Fig. 13 Microstruttura della martensite del piatto
La forma tridimensionale di questa martensite è un'asta sottile e la sua sezione è a forma di farfalla, per cui viene chiamata martensite a farfalla.
È stato scoperto che la martensite a farfalla si forma nella lega Fe-31% Ni o Fe-29% Ni-0,26% C nell'intervallo di temperatura compreso tra 0 e -60 ℃.
Studi al microscopio elettronico hanno confermato che la sua sottostruttura interna comprende dislocazioni ad alta densità, senza che siano visibili gemelle.
Il rapporto cristallografico con la fase madre aderisce generalmente alla relazione K-S. La martensite a farfalla si forma principalmente tra 0 e -20 ℃, coesistendo con la martensite lamellare tra -20 e -60 ℃.
Si può osservare che, per i due sistemi di leghe citati, l'intervallo di temperatura di formazione della martensite a farfalla è compreso tra l'intervallo di temperatura di formazione della martensite a listelli e della martensite lamellare.
La giunzione di due ali di martensite a farfalla è molto simile al ponte centrale della martensite lamellare. Si presume che la martensite (probabilmente geminazione) che si sviluppa da qui ai due lati lungo orientamenti diversi mostri la forma a farfalla.
La parte di giunzione della martensite a farfalla è simile alla parte di giunzione di due pezzi di martensite formati da un'esplosione, ma non contiene alcuna struttura gemellare, il che è diverso dalla martensite in fogli.
Dal punto di vista della struttura interna e della microstruttura, la martensite a farfalla è simile alla martensite a listelli, ma non si presenta in file.
Ad oggi, molti aspetti della martensite a farfalla non sono ancora chiari. Tuttavia, la sua morfologia e le sue proprietà si collocano tra la martensite a listelli e la martensite lamellare, rendendola un argomento interessante da esplorare.
3.2 Martensite a scaglie
Questa martensite è stata scoperta in una lega Fe-Ni-C che presenta un punto Ms eccezionalmente basso. Si presenta come una banda molto sottile in forma tridimensionale, con le bande che si incrociano tra loro e mostrano torsioni, ramificazioni e altre forme uniche, come illustrato nella Figura 14c.
Fig. 14 Lega Fe-Ni-C raffreddata al punto Ms
Microstruttura della martensite formatasi alla stessa temperatura
La struttura al microscopio elettronico di questa martensite è illustrata nella Fig. 15.
Fig. 15 Struttura al microscopio elettronico della martensite lamellare (Fe-31%, Ni0,23% C, Ms=- 190 ℃, raffreddato a - 196 ℃)
Il materiale in esame è una martensite luana completa costituita da (112) cristalli α´luan senza cresta centrale, che la distingue dalla martensite lamellare.
È stato osservato che la morfologia della martensite del sistema Fe-Ni-C cambia da lenticolare a lamellare al diminuire della temperatura di formazione.
Nella lega Fe-Ni-C con un contenuto di carbonio di circa 0,25% e Ms = -66 ℃, la struttura è una martensite lamellare esplosiva, come illustrato nella Figura 14a.
Quando Ms diminuisce a -150 ℃, inizia a comparire una piccola quantità di martensite lamellare, come mostrato nella Figura 14b.
Nel punto in cui Ms scende a -171 ℃, l'intera struttura è composta da martensite lamellare (vedi Figura 14c).
È stato riscontrato che la temperatura di transizione da lastre lente a lastre sottili aumenta con l'aumentare del contenuto di carbonio.
Quando il contenuto di carbonio raggiunge 0,8%, la zona di formazione della martensite lamellare è inferiore a -100 ℃.
Al diminuire della temperatura di trasformazione, durante la trasformazione lamellare della martensite si verifica non solo la formazione continua di nuovi fogli di martensite, ma anche l'ispessimento dei vecchi fogli di martensite.
L'ispessimento dei vecchi fogli di martensite non è visibile nella martensite lamellare.
3.3 ε' Martensite
Tutte le martensiti sopra menzionate hanno una struttura cubica (α') o quadrata a corpo centrato.
Nelle leghe con bassa energia di stacking fault nell'austenite, si può formare anche una martensite densa a reticolo esagonale ε'.
Questo tipo di martensite è prevalente nelle leghe ad alto contenuto di Mn-Fe-C.
Tuttavia, l'acciaio inossidabile 18-8 rappresentato dalle leghe Fe-Cr-Ni spesso coesiste con l'α'-martensite.
Anche la martensite ε' è sottile, come illustrato nella Figura 16.
Lungo la superficie (111) γ, widmanstatten si osserva una formazione con una sottostruttura caratterizzata da numerosi difetti di impilamento.
Fig. 16 Microstruttura della martensite della lega Fe-16,4% Mn (corrosione da alcol nitrico)
La presenza di elementi di lega nell'acciaio ha un impatto cruciale sulla forma della martensite.
Un esempio comune è che la forma della martensite nelle leghe Fe-C e Fe-Ni passa da un listello a una scaglia all'aumentare del contenuto di lega. Ad esempio, nella lega Fe-C, al di sotto di 0,3% di carbonio, la martensite è a forma di listello, mentre al di sopra di 1% di carbonio diventa a forma di fiocco. Nell'intervallo tra 0,3% e 1,0% di carbonio, possono essere presenti entrambe le forme di martensite.
Tuttavia, fonti diverse possono mostrare concentrazioni incoerenti che innescano la transizione da listello a martensite lamellare. Questa variabilità è legata all'effetto della velocità di tempra, con una velocità di tempra più elevata che porta a una minore concentrazione minima di carbonio necessaria per la formazione della martensite lamellare.
La Figura 17 illustra l'impatto del contenuto di carbonio sul tipo di martensite, sul punto Ms e sulla quantità di austenite conservata nelle leghe Fe-C.
Fig. 17 Effetto del contenuto di carbonio sul punto Ms, sul contenuto di martensite dei listelli e sul punto Ms. austenite conservata contenuto (acciaio al carbonio temprato a temperatura ambiente)
La figura dimostra che l'acciaio con un contenuto di carbonio inferiore a 0,4% non contiene quasi nessuna austenite conservata.
All'aumentare del contenuto di carbonio, il punto Ms diminuisce mentre aumenta la quantità di martensite a cristalli di Luan e di austenite conservata.
La tabella 2 riassume la relazione tra la morfologia della martensite e la composizione delle leghe binarie di ferro.
Tabella 2 Morfologia della martensite delle leghe binarie di Fe
|
Sistema in lega |
Martensite dei listelli |
Martensite lamellare |
Martensite | |||||
|
Composizione della lega (%) |
Punto M (℃) |
Composizione della lega (%) |
Punto M (℃) |
Composizione della lega (5%) | ||||
|
Zona Y estesa |
Fe-C Fe-N Fe-Ni Fe-Pt Fe-Mn Fe-Ru Fe-Ir Fe-Cu Fe-Co |
<1.0 <0.7 <29 <20.5 <14.5 7.5~19 20~48 2~6 0~1 1~24 |
700~200 700~350 700~25 700~400 700~150 600~200 550~40 – 700~620 620~800 |
0.6~1.95 0.7~2.5 29~24 24.6 – – – – – – |
500~40 350~100 25~195 -30 – – – – |
– – – – 14.5~27 11~17 35~53 – – – | ||
|
Area Y ridotta |
Fe-Cr Fe-Mo Fe-Sn Fe-V Fe-W |
<10 <1.94 <1.3 <0.5 <0.3 |
700~260 700~180 |
– – – – – |
– – – – – |
– – – – – | ||
La tabella dimostra che tutti gli elementi della lega nella zona γ si trasformano in martensite.
Con l'aumento della concentrazione di elementi di lega nella zona P espansa, il punto Ms generale diminuisce significativamente, accompagnato da un cambiamento nella morfologia della martensite.
Ad esempio, nelle leghe binarie come Fe-C, Fe-N, Fe-Ni, Fe-Pt e altre, la morfologia della martensite si trasforma da listello a scaglia con l'aumento del contenuto di elementi della lega.
Tuttavia, l'aggiunta di Mn, Ru e Ir può ridurre notevolmente l'energia di stacking fault dell'austenite, determinando un cambiamento nella morfologia della martensite da listello a martensite ε´ con l'aumento del contenuto di elementi di lega nelle leghe di ferro binarie.
Le leghe Fe-Cu e Fe-Co sono un'eccezione tra gli elementi della zona γ espansa.
Sebbene il Cu faccia parte degli elementi della zona Y in espansione, la piccola quantità di soluzione solida nel Fe porta a un punto Ms relativamente stabile e quindi mostra la stessa tendenza delle leghe della zona Y in contrazione.
La lega Fe-Co è unica rispetto alle altre leghe. Con l'aumento del contenuto di Co, il punto Ms aumenta, rendendola un caso speciale.
In generale, esistono diversi tipi di leghe elementi in acciaioMa se un terzo elemento viene aggiunto alla lega Fe-C o Fe-Ni, una piccola quantità non altera in modo significativo la morfologia della martensite rispetto a quella della lega binaria.
Come accennato in precedenza, le leghe Fe-Ni-C possono formare martensite a listello, a farfalla, a lastra trasparente e a lastra sottile. La relazione tra la temperatura di formazione di queste quattro forme di martensite e il contenuto di carbonio e il punto Ms è illustrata nella Figura 18.
Fig. 18 Relazione tra morfologia della martensite, contenuto di carbonio e punto Ms della lega Fe-Ni-C
La figura mostra che la temperatura di formazione della martensite lenticolare e lamellare aumenta all'aumentare del contenuto di carbonio.
La figura evidenzia anche l'area di formazione della martensite a farfalla con un'area tratteggiata.
La Tabella 3 riassume la relazione tra morfologia, sottostruttura e caratteristiche cristallografiche della martensite nelle leghe a base di ferro.
Tabella 3 Caratteristiche del sistema Fe Martensite
| Superficie abituale | relazione di orientamento | Morfologia della martensite | Secondo tipo di taglio | Sottostruttura nella martensite | M. Punto | Energia di faglia dell'austenite | Grado di acciaio |
| （111） （225）（259） | K-S K-S Xishan | Listello | Gemello di slittamento | Dislocazione | Alto medio basso | Basso basso o medio alto | Rame a basso tenore di carbonio, acciaio ad alto tenore di Mn, acciaio a basso tenore di Ni; acciaio al carbonio alto e medio, acciaio inossidabile, acciaio al Ni medio; acciaio ad alto tenore di Ni, acciaio ad altissimo tenore di carbonio |
Nell'acciaio, la martensite con un contenuto di carbonio inferiore a 0,20% è generalmente considerata avere una struttura reticolare cubica centrata sul corpo. La martensite con un contenuto di carbonio superiore a 0,20% è considerata avere una struttura reticolare tetragonale a corpo centrato.
Si ritiene comunemente che la martensite cubica a corpo centrato negli acciai a basso tenore di carbonio sia equivalente alla martensite da dislocazione, mentre la martensite tetragonale a corpo centrato sia equivalente alla martensite doppia ad alto tenore di carbonio. Tuttavia, nelle leghe Fe-Ni, la martensite gemellare può avere anche una struttura cubica a corpo centrato.
Di conseguenza, la relazione tra struttura cristallina e sottostruttura rimane incerta.
La discussione precedente riguarda la legge della variazione della morfologia della martensite dovuta a una variazione della composizione della lega.
Attualmente si discute molto sui fattori che influiscono su questo cambiamento e non c'è un chiaro consenso.
È opinione diffusa che i cambiamenti morfologici siano essenzialmente cambiamenti nella sottostruttura e le prospettive comuni includono:
I sostenitori di questo punto di vista ritengono che la morfologia della martensite dipenda dalla temperatura Ms.
Essi sostengono che nelle leghe Fe-C, un aumento del contenuto di carbonio determina una diminuzione della temperatura Ms.
A temperature inferiori a un certo intervallo (300-320℃), diventa più facile formare gemelli di trasformazione e la conseguente martensite lamellare.
La Tabella 4 illustra la relazione tra la morfologia della martensite, le caratteristiche cristalline dell'acciaio al carbonio e il contenuto di carbonio e la temperatura Ms.
Tabella 4 Relazione tra morfologia della martensite e caratteristiche cristallografiche dell'acciaio al carbonio e contenuto di carbonio e punto Ms dell'acciaio
| Contenuto di carbonio (%) | Struttura cristallina | Relazione di orientamento | Superficie abituale | M. Punto (℃) | Morfologia della martensite |
| <0.3 | Corpo centrato cubico o quadrato | Relazione K-S | （111） | >350 | Martensite dei listelli |
| 0.3~1.0 | Centroide quadrato | Relazione K-S | Striscia (111), foglio (225) | 350~200 | Martensite mista |
| 1.0~1.4 | Centroide quadrato | Relazione K-S | （225） | <200 | Martensite a scaglie con gemelli parziali e dislocazioni nella sottostruttura |
| 1.4~1.8 | Corpo - Cuore quadrato | Relazione Xishan | （259） | <100 | Tipica martensite lamellare con evidente cresta centrale e disposizione a "Z". |
La trasformazione della morfologia della martensite da lath a flake al diminuire del punto Ms può essere spiegata come segue:
La tabella 4 mostra una correlazione tra la superficie di habit e la morfologia della martensite. La temperatura di formazione della martensite a basso tenore di carbonio è generalmente ritenuta elevata, con il piano (111) γ come piano di habit a causa del suo grande taglio. A queste temperature elevate, è più facile che si verifichi lo slittamento rispetto alla geminazione e ci sono meno sistemi cristallini (111) γ nel reticolo cubico a facce centrate, con conseguente numero limitato di orientamenti iniziali per la formazione della martensite, che porta alla formazione di martensite a grappolo all'interno della stessa austenite.
Al diminuire della temperatura del punto Ms, la geminazione diventa più facile da realizzare rispetto allo scorrimento e il piano di habit si sposta verso (225) γ o (259) γ. Questo spostamento comporta un aumento del numero di sistemi cristallini e di orientamenti iniziali per la formazione della martensite, portando alla formazione di martensite lamellare con fogli adiacenti non paralleli tra loro all'interno della stessa austenite.
È stato stabilito che la formazione di martensite ad alta temperatura non può portare alla formazione di martensite lamellare gemellare, anche se l'austenite è notevolmente rinforzata. Il punto Ms nelle leghe Fe-Ni-C può essere modificato cambiando la temperatura di austenitizzazione, consentendo il raggiungimento di punti Ms diversi all'interno della stessa lega.
Quando la temperatura di raffreddamento è leggermente inferiore al corrispondente punto Ms, si può osservare il cambiamento della morfologia della martensite da forma a farfalla a forma di lastra. Inoltre, la diminuzione della temperatura di formazione porta a un aumento della zona gemella di trasformazione.
È stata studiata anche la morfologia della martensite indotta da deformazione formatasi nella stessa lega a varie temperature al di sopra del punto Ms, rivelando che la morfologia della martensite cambia al variare della temperatura di deformazione (cioè della temperatura di formazione della martensite indotta da deformazione). Questi risultati confermano che la morfologia della martensite e la struttura interna di questo tipo di lega sono legate esclusivamente al punto Ms.
Inoltre, in condizioni di alta pressione e di diminuzione del punto Ms, è più probabile che si verifichino gemelli di trasformazione, con conseguente cambiamento della morfologia della martensite da listello a lastra, come mostrato nella Fig. 19. Questa evidenza sperimentale supporta l'importanza del punto Ms. Questa evidenza sperimentale supporta l'importanza del punto Ms.
Fig. 19 Effetto della pressione di 4000MPa sul punto Ms e sulla struttura della martensite della lega ferromagnetica
Nel processo di formazione vero e proprio, vengono prodotte più martensiti in successione a temperature variabili tra i punti Ms e Mf.
La temperatura a cui si forma ogni cristallo di martensite è unica, quindi anche la struttura interna e la morfologia di ogni cristallo di martensite sono distinte.
Pertanto, è più corretto affermare che la temperatura di formazione, piuttosto che il punto Ms, influenza la morfologia e la struttura interna della martensite.
Kelly et al. propongono un'ipotesi secondo la quale più bassa è l'energia di stacking fault dell'austenite, più difficile diventa produrre la trasformazione in cristalli di bainite e più probabile è la formazione di martensite a listelli.
Sia l'acciaio inossidabile 18-8 che la lega Fe-8% Cr-1,1% C presentano basse energie di dislocazione. Alla temperatura dell'azoto liquido, si forma la martensite da dislocazione. Questo fenomeno è difficile da spiegare con l'ipotesi del punto Ms, ma può essere spiegato da questa ipotesi.
Inoltre, nella martensite lamellare della lega Fe-30~33% Ni, la zona gemella di trasformazione aumenta all'aumentare del contenuto di Ni. Poiché è noto che il Ni aumenta l'energia di stacking fault dell'austenite, questo fenomeno sperimentale supporta l'ipotesi.
Vale la pena notare che questo fenomeno sperimentale può essere spiegato anche dalla teoria del punto Ms, in quanto il Ni diminuisce il punto Ms.
Recentemente, Davis e Magee hanno proposto un'ipotesi sulla relazione tra la resistenza dell'austenite e la morfologia della martensite. Hanno utilizzato un metodo di lega per alterare la resistenza dell'austenite e hanno studiato i cambiamenti risultanti nella morfologia della martensite.
I risultati hanno rivelato che la morfologia della martensite cambia in base alla resistenza dell'austenitico. resistenza allo snervamento al punto Ms, che è di circa 206MPa. Al di sopra di questo limite, si forma la martensite lamellare con un habit plane di {259} γ. Al di sotto di questo limite, si forma o la martensite a listelli con un piano di abitudine di {111} γ o la martensite lamellare con un piano di abitudine di {225} γ.
Di conseguenza, Davis e Magee ritengono che la resistenza dell'austenite sia il fattore principale che influenza la morfologia della martensite. Hanno inoltre studiato ulteriormente la resistenza della martensite. Quando la resistenza dell'austenite è inferiore a 206MPa, se la resistenza della martensite risultante è elevata, si forma come martensite {225}γ. Se la resistenza della martensite è bassa, si forma la martensite {111}γ.
Questa ipotesi può essere applicata per spiegare i cambiamenti morfologici derivanti da variazioni della composizione della lega o del punto Ms, in particolare la trasformazione di {111}γ in {225}γ nelle leghe Fe Ni e di {111}γ in {225}γ in {259}γ nelle leghe Fe-C.
Inoltre, l'ipotesi fornisce una chiara comprensione della formazione della martensite {225}γ, che in passato non era ben definita. Si forma quando l'austenite debole si trasforma in martensite forte.
Mentre il carbonio ha effetti limitati sul rafforzamento dell'austenite, ha un impatto significativo sul rafforzamento della martensite. La martensite {225}γ si verifica soprattutto nei sistemi di leghe con un elevato contenuto di carbonio.
Questa ipotesi si basa su quanto segue:
Se il rilassamento dello stress di trasformazione nella martensite avviene esclusivamente attraverso la deformazione di geminazione, la martensite risultante avrà il piano di habit {259} γ.
Quando il rilassamento dello stress di trasformazione avviene in parte nell'austenite attraverso la modalità slip e in parte nella martensite attraverso la modalità twinning, la martensite avrà l'habit plane {225} γ.
Se anche la martensite subisce un modo di scorrimento, il piano di habit sarà {111} γ.
I risultati sperimentali suggeriscono che questa ipotesi è parzialmente corretta, ma sono necessarie ulteriori ricerche in futuro.
Va notato che la resistenza dell'austenite e della martensite, come delineato in questa ipotesi, è strettamente correlata a vari fattori quali la composizione della lega, il tipo, il punto Ms, l'energia del difetto di impilamento austenitico e altri. Pertanto, questa ipotesi non può essere considerata isolata.
Questa ipotesi sottolinea che la struttura interna della martensite è determinata principalmente dalla modalità di deformazione durante la trasformazione, che è controllata principalmente dalla sollecitazione di taglio critica di scorrimento o di geminazione.
La Figura 20 illustra l'effetto dello sforzo di taglio critico di slittamento o gemellaggio della martensite e della temperatura di Ms e Mf sulla formazione della morfologia della martensite.
Fig. 20 Diagramma schematico dell'influenza della sollecitazione di taglio critica e della temperatura Ms Mf sulla morfologia della martensite causata dallo slittamento o dal gemellaggio della martensite
Le frecce nella figura rappresentano le direzioni potenziali di movimento per le linee corrispondenti, che sono causate da cambiamenti nella composizione della lega. Il movimento delle linee porta al movimento dell'intersezione delle curve gemelle di scorrimento.
Dalla figura si può osservare che per gli acciai a basso tenore di carbonio (dove i punti Ms e Mf sono entrambi alti), lo sforzo di taglio critico richiesto per lo scorrimento è inferiore a quello richiesto per la geminazione, con conseguente formazione di martensite a lamelle con un'alta densità di dislocazioni. Al contrario, per gli acciai ad alto tenore di carbonio (dove i punti Ms e Mf sono entrambi bassi), lo sforzo di taglio critico richiesto per la geminazione è piccolo, con conseguente formazione di martensite lamellare con un gran numero di gemelli.
Nel caso di un contenuto medio di carbonio, i punti Ms e Mf sono quelli mostrati in figura. Durante la trasformazione martensitica, si forma prima la martensite a listelli, seguita dalla martensite lamellare. Ne risulta una struttura mista di entrambi i tipi di martensite.
Sebbene questo punto di vista appaia fondamentalmente corretto, non sono ancora chiari i fattori che causano i cambiamenti nella sollecitazione di taglio e come la composizione della lega o il punto Ms influenzino la sollecitazione di taglio critica per lo scorrimento martensitico o la geminazione.
Alcuni ritengono che l'aumento della forza motrice della trasformazione porti alla trasformazione in martensite lamellare. Per le leghe Fe-C, il limite della forza motrice per il cambiamento della morfologia della martensite è di 1318 J/mol, mentre per le leghe Fe-Ni varia da 1255 a 1464 J/mol. Altri ritengono che l'aumento del contenuto di C e N nella martensite, che causa l'ordinamento, sia strettamente legato alla trasformazione morfologica.
Quando l'acciaio ad alto tenore di carbonio viene bonificato, è soggetto alla formazione di microcricche nella martensite.
In precedenza si pensava che queste microfratture fossero il risultato di microsollecitazioni causate dall'espansione di volume durante la trasformazione martensitica.
Tuttavia, recenti osservazioni metallografiche hanno rivelato che la formazione di microcricche è in realtà dovuta alla collisione di martensite in crescita, come illustrato nella Figura 21.
Figura 21. Schema delle microfessure formate dalla collisione di due lamine di martensite Fe-C. (La sezione A-A rappresenta la sezione trasversale di una lamina di martensite che si è diffusa in due lamine). (La sezione A-A rappresenta la sezione trasversale di una lamina di martensite che si è diffusa in due lamine di martensite).
La formazione della martensite avviene rapidamente. Quando le lamine di martensite si scontrano tra loro o con un confine di grano di austenite, l'impatto genera un campo di sollecitazioni significativo.
Poiché la martensite ad alto tenore di carbonio è estremamente fragile e non può essere alleviata attraverso lo scorrimento o la deformazione gemellare, è soggetta alla formazione di cricche da impatto.
Questo difetto intrinseco aumenta la fragilità dell'acciaio martensite ad alto tenore di carbonio.
Sotto l'influenza di altri fattori di stress, come le sollecitazioni termiche e strutturali, le microfessure si trasformano in macrocrepe.
La presenza di microcricche riduce inoltre in modo significativo la durata a fatica dei componenti.
Le microfratture nella martensite lamellare della lega Fe-C si verificano spesso alla giunzione di diversi aghi di martensite radiali o all'interno degli aghi di martensite, come illustrato nella Figura 22.
Fig. 22 Caratteristiche microscopiche ottiche delle microcricche nella martensite della lega Fe-1.39% C
La sensibilità della formazione di microcricche nella martensite è generalmente espressa in termini di area di microcricche per unità di volume di martensite (Sv).
Le prove sperimentali suggeriscono che la sensibilità della martensite alla formazione di microcricche è influenzata da diversi fattori, tra cui:
Con la diminuzione della temperatura di raffreddamento per tempra, la quantità di austenite trattenuta (rappresentata da γR) nella struttura dell'acciaio temprato diminuisce, con conseguente aumento della quantità di martensite e della sensibilità alla formazione di microcricche, come illustrato nella figura 23.
Fig. 23 Relazione tra la sensibilità alla microfessurazione della formazione di martensite Fe-C e la temperatura di spegnimento (1,39% C, riscaldato a 1200 ℃ per 1 ora)
La Figura 24 illustra la relazione tra la quantità di trasformazione della martensite e la suscettibilità alla formazione di microcricche.
Fig. 24 La relazione tra la sensibilità alle microcricche (SV) della formazione di martensite nella lega Fe-1,86% C e il volume medio (V) di ciascun pezzo di martensite, il numero di fogli di martensite per unità di volume (NV) e la trasformazione della martensite:
Secondo la figura, la sensibilità alla formazione di microcricche (Sv) aumenta con l'aumentare della variabile di trasformazione della martensite, tuttavia, quando la frazione di trasformazione (f) supera 0,27, Sv non continua ad aumentare.
Anche se il numero di martensite per unità di volume (Nv) aumenta, la dimensione della lamina di martensite formata, rappresentata dal volume medio (V) di un pezzo di martensite, diminuisce a causa della continua divisione dell'austenite.
Pertanto, la dimensione della lamina di martensite (V) può avere un valore critico che influenza la sensibilità (Sv) alla formazione di microcricche. Se V supera questo valore critico, la sensibilità alla formazione di microcricche (Sv) aumenta all'aumentare della frazione di trasformazione.
In conclusione, la formazione di cricche è determinata prevalentemente dalle dimensioni dei fogli di martensite. Mentre il numero totale e l'area delle cricche possono aumentare con l'aumentare della variabile di trasformazione della martensite, i grandi fiocchi di martensite che si formano nella fase iniziale fanno sì che la maggior parte delle cricche si formi durante le prime fasi della trasformazione.
L'esperimento mostra che con l'aumentare della lunghezza della lamina di martensite (cioè con l'aumento della dimensione massima della lamina), aumenta anche la suscettibilità della martensite alla formazione di microcricche, come illustrato nella Figura 25.
Fig. 25 Relazione tra la sensibilità della formazione di microcricche e la lunghezza della lamina di martensite (il numero accanto al punto è il contenuto di martensite%)
Le lastre di martensite lunghe sono più suscettibili all'impatto con altre lastre di martensite a causa delle loro dimensioni. Inoltre, tendono a intersecarsi con i grani di austenite, aumentando la probabilità di incontrare confini di grano.
Gli esperimenti hanno dimostrato che le microcricche si formano prevalentemente nella martensite grossolana, mentre la martensite fine raramente dà luogo alla formazione di microcricche.
Di conseguenza, è probabile che esista una dimensione critica della martensite per il verificarsi di microcricche nella martensite. Allo stesso modo, se la composizione dell'austenite è relativamente uniforme, ci sarà una dimensione critica dei grani di austenite al di sotto della quale non si verificheranno microcricche.
L'idea che i grani fini di austenite possano ridurre le microcricche negli acciai temprati ad alto tenore di carbonio è stata implementata nella produzione. Tuttavia, non è ancora chiaro se la sensibilità alle microcricche dipenda dalle dimensioni della lamina di martensite stessa o dal campo di sollecitazione generato dalla crescita di lamine di martensite di dimensioni critiche.
Nel caso di austenite omogenea, la lunghezza delle lamine di martensite formate nella fase iniziale è legata alla dimensione dei grani di austenite. I grani di austenite più grossi portano alla formazione di martensite grossolana, più soggetta alla formazione di microcricche.
I risultati sperimentali, illustrati nella Figura 26, supportano questa idea. I risultati indicano che l'acciaio ad alto tenore di carbonio è più soggetto a cricche quando viene temprato a temperature più elevate.
Pertanto, in genere si raccomanda di scegliere una temperatura di tempra più bassa per la tempra dell'acciaio ad alto tenore di carbonio.
Fig. 26 Effetto della granulometria dell'austenite dell'acciaio al carbonio (1.22% C) sulla sensibilità alla microfessurazione in campo
L'effetto del contenuto di carbonio sulla formazione di microcricche nella martensite è mostrato nella Figura 27.
Fig. 27 Effetto del contenuto di carbonio nella martensite sulla sensibilità alla microfessurazione
Dalla Figura 27 si evince che la probabilità di formazione di microcricche aumenta all'aumentare del contenuto di carbonio nella martensite.
Tuttavia, se il contenuto di carbonio nell'austenite è superiore a 1,4%, la suscettibilità alla formazione di microcricche diminuisce. Ciò è legato al piano di habitus del cristallo durante la trasformazione martensitica.
Quando il contenuto di carbonio nell'acciaio supera 1,4%, la forma della martensite cambia. Le lamine diventano più spesse e più corte, l'angolo tra le lamine di martensite diventa più piccolo e la forza d'urto e la sollecitazione si riducono. Di conseguenza, la sensibilità alla formazione di microcricche diminuisce.
La tabella 5 mostra che la sensibilità alla formazione di microcricche nell'acciaio al carbonio 1.39% diminuisce significativamente al diminuire del contenuto di carbonio nella martensite. I dati sono presentati per una dimensione dei grani pari a 3.
|
Temperatura A1~Aw (℃) |
Contenuto di carbonio nella martensite (%) |
Austenite conservata (%) |
Quantità di carburo (%) |
Sensibilità alla formazione di microfessure S. (mm-1) |
|
1010 910 871 857 834 799 768 732 |
1.39 1.30 1.21 1.18 1.05 1.01 0.92 0.83 |
33.5 22 15 13 12 8 9 6 |
3.9 6 6.5 12 15 17.5 20 |
18 17 13 9 10 4.5 1.5 0.15 |
L'analisi metallografica indica che la riduzione della sensibilità alle microfratture è associata alla presenza di una maggiore quantità di martensite a crescita parallela nella microstruttura.
La martensite dei listelli ha un'elevata plasticità e tenacità e il rischio di urti reciproci è ridotto grazie alla crescita parallela della martensite dei listelli, con conseguente bassa sensibilità alle microcricche.
Come già accennato, l'acciaio ad alto tenore di carbonio è suscettibile di cricche a causa della struttura a grani grossi dell'austenite e dell'elevato contenuto di carbonio nella martensite. Per mitigare questo fenomeno, il processo di produzione tende a utilizzare temperature di riscaldamento più basse e tempi di mantenimento più brevi per ridurre il contenuto di carbonio nella martensite e ottenere grani più fini.
In generale, gli acciai ipereutettoidi, sottoposti a tempra incompleta, producono martensite criptocristallina, meno soggetta a microcricche. Per questo motivo presentano eccellenti proprietà generali.
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