مقدمه

همان گونه که مي دانيم دگرگوني پرليتي مستلزم نفوذ است . بنابراين در دماهاي نسبتا بالا انجام مي شود . در اين جلسه دگرگوني مارتنزيتي 1 که در دماهاي به مراتب پايين تر از دماي تشکيل پرليتانجام مي شود و بنابراين نفوذ در آن نقشي ندارد بررسي خواهد شد . با توجه به اين نکته کهدگرگوني مارتنزيتي بدون نفوذ و يا جابجايي انفرادي اتم ها بوده و بنابراين نياز به فعاليت حرارتي ندارد، گفته مي شود که اين دگرگوني از نوع برشي  است و به کمک جابجايي گروهي اتم ها انجام ميپذيرد . از جمله مشخصات ديگر دگرگوني مارتنزيتي خصوصيات شبکه بلوري و ميکروساختار ريز وسوزني شکل آن است . تشکيل مارتنزيت ، مستلزم سريع سرد کردن و بنابراين متوقف کردندگرگوني نفوذي است . البته شرايط دقيق سرد کردن که در يک فولاد منجر به تشکيل مارتنزيت ميشود بستگي به درصد کربن ، عناصر آلياژي و اندازه دانه هاي آستنيت دارد . باينيت که در گسترهدمايي محدود بين پايين ترين دماي تشکيل پرليت و بالاترين دماي تشکيل مارتنزيت به وجود مي آيد ،محصول دگرگوني خاصي است که در آن هر دو مکانيزم نفوذي و برشي نقش دارند .

مارتنزيت و دگرگوني مارتنزيتي :

واژه مارتنزيت که براي مدت ها فقط به ساختار حاصل از سريع سرد کردن فولادهاي کربني در آلياژهاي آهن – کربن و فولادها ، مارتنزيت از سرد کردن سريعآستنيت به دست مي آيد . از آنجايي که دگرگوني آستنيت به مارتنزيت بدون نفوذ انجام مي شود ،بستگي به ترکب شيميايي آلياژ ، تا 2 درصد کربن ، مارتنزيت دقيقا همان ترکيب شيميايي آستنيتاوليه را دارد . در اينجا بر خلاف تشکيل پرليت ، اتم هاي کربن بين دو فاز فريت و سمانتيت توزيع نميشوند ، بلکه در فضاي هشت وجهي bcc محبوس شده و فاز جديد مارتنزيت را به وجود مي آورند . باتشکيل مارتنزيت، کربن محلول در شبکه bcc به مقدار زيادي افزايش مي يابد . با افزايش کربن محلولدر شبکه ، جاهاي خالي بيشتري از شبکه توسط کربن اشغال مي شوند ، در نتيجه شبکه بلوري از bcc به سمت bct ميل مي کند که در آن پارامتر c شبکه بزرگتر از دو پارامتر ديگرa  است. نسبت c/a کهبه تتراگوناليته شبکه موسوم است، با افزايش درصد کربن آلياژ افزايش مي يابد.

از آنجايي که در تشکيل مارتنزيت نفوذ نقشي ندارد ، مارتنزيت فازي ناپايدار است . اگر مارتنزيت تادمايي حرارت داده شود که اتم هاي کربن قدرت تحرک کافي جهت نفوذ پيدا کنند ، از فضاهاي خاليهشت وجهي خارج شده و تشکيل سمانتيت مي دهند . در نتيجه شبکه بلوري مارتنزيت از حالتمکعب مستطيلي خارج شده و فازهاي تعادلي موجود در نمودار تعادلي آهن –کربن ، يعني سمانتيت وفريت به وجود مي آيند . تجزيه مارتنزيت به ساختارهاي ديگر در اثر حرارت دادن که به بازپخت موسوماست ، انجام مي پذيرد .

مارتنزيت توسط يک مکانيزم برشي به وجود مي آيد . در اين مکانيزم ، جهت انجام دگرگوني ، اتم هايزيادي با همديگر و به طور همزمان جابجا مي شوند . اين جابجايي گروهي اتم ها ، کاملا متفاوت ازجابجايي انفرادي آنها ( نفوذ ) و حرکت در فصل مشترک ، از فاز قديم به فاز جديد است. در شکلشمايي از مشخصه هاي دگرگوني برشي را در رابطه با تشکيل مارتنزيت از آستنيت نشان مي دهد .جهت هاي برش در دو طرف صفحه اي که دگرگوني بر روي آن آغاز دگرگوني برشي چرخيده و در موقعيت جديدبلوري قرار گرفته است .

چرخش يا کج شدن سطوح يکي ديگر از مشخصه هاي مهم دگرگوني مارتنزيتي يا برشي است.جابجايي انفرادي اتم ها از طريق فصل مشترک ها که از جمله مشخصه هاي ويژه دگرگوني هاي نفوذياست منجر به چرخش يا کج شدن سطوح نمي شود ، بلکه تمايل به ايجاد سطوحي ازفازهاي محصولموازي با سطوحي از فاز مادر را دارد . همچنين شکل بالا نشان مي دهد که تشکيل مارتنزيت ، هموارههمراه با مقدار قابل توجهي تغيير شکل مومسان در فاز آستنيت مادر است . تنش يا نيروي عکسالعمل حاصل از تغيير شکل مومسان آستنيت بر روي بلور مارتنزيت، رشد بلور مارتنزيتي را محدود کردهو ادامه دگدگوني تشکيل مارتنزيت فقط با جوانه زني بلورهاي جهت تحمل تغيير شکل مومسان حاصل از تشکيل مارتنزيتبرخوردار است . در حالي که در بسياري از سيستم هاي سراميکي ، فاز مادر قادر به تحمل تغيير شکلحاصل از دگرگوني مارتنزيتي نيست و بنابراين در سراميک ها از اين نوع دگرگوني ها بايد اجتناب نمود.صفحاتي از بلورهاي آستنيت که بلورهاي مارتنزيت ترجيحا بر روي آنها تشکيل مي شود ، به صفحاترابط 1 موسوم اند . با تغيير ترکيب شيميايي فولاد ، صفحات رابط نيز تغيير مي کنند .

سينتيک تشکيل مارتنزيت :

در بيشتر فولادها تشکيل مارتنزيت از آستنيت در ضمن کاهش دما به طور پيوسته انجام مي شود. ايننوع دگرگوني ها که احتياج به فعاليت حرارتي و جابجايي انفرادي اتم ها ندارند ، به دگرگوني هاياترمال موسوم اند . اين نامگذاري به منظور متمايز ساختن دگرگوني هاي ياد شده از تبريد آستنيت نسبت به خط A1است . به بيان ديگر اگر آستنيت خيلي سريع تا دمايي در زير  ماي تشکيل مارتنزيت سرد شود ،مارتنزيت بلافاصله تشکيل مي شود . حال اگر قبل از اينکه تمامي آستنيت به مارتنزيت تبديل شود ،سرد کردن متوقف شود ، تشکيل مارتنزيت نيز متوقف مي شود و ادامه تشکيل مارتنزيت تنها درصورتي امکان پذير است که دما کاهش يابد .دمايي را که در يک آلياژ ، دگرگوني آستنيت به مارتنزيتشروع مي شود را دماي شروع تشکيل مارتنزيت ناميده و آن را با Ms نشان مي دهند .

در حقيقت، Ms منعکس کننده مقدار نيروي محرکه ترموديناميکي لازم براي شروع دگرگوني برشيآستنيت به مارتنزيت است .

همانطور که در شکل نشان داده شده بيشتري جهت شروع لغزش براي تشکيل مارتنزيت لازم است . اين نيروي محرکه بيشتر ، با سرد کردنفولاد تا دمايي پايين تر و به عبارت ديگر تحت تبريد بيشتر (Ms کمتر) به دست مي آيد.

            دماي پايان تشکيل مارتنزيت ( Mf ) يا دمايي که دگرگوني آستنيت به مارتنزيت در يک آلياژ  دادهشده به پايان مي رسد نيز تابعي از درصد کربن آلياژ است . استفاده از ريزساختار و اندازه گيريسختي جهت تعيين مقدار بسيار کمي از آستنيت که پس از پايان تشکيل مارتنزيت هنوز باقيمانده ، کارنسبتا مشکلي است . بنابراين منحني هاي Mf که بر اساس نتايج تحقيقات قديمي رسم شده اند بسيار تقريبي اند .

دماي Mf آلياژهايي که بيشتر از 0,3 درصد کربن دارند ، زير دماي اتاق است . بنابراين در دماي اتاق ومخصوصا در رابطه با فولادهاي پرکربن ، همواره مقدار قابل ملاحظه اي آستنيت تبديل نشده همراهمارتنزيت وجود دارد . اين موضوع در شکل

عناصر آلياژي بر روي دماي Ms فولادها نيز اثر مي گذارند. براي نشان دادن رابطه Ms  با ترکيب شيميايي فولادها روابطي ارائه شده است. به طور کلي تمام عناصر آلياژي به جز کبالت دماي Ms راکاهش مي دهند .

شکل هاي مختلف مارتنزيت در فولادها :

            واژه لايه اي براي توصيف مارتنزيت تشکيل شده در فولادهاي کم کربن و يا کربن متوسط است، در حالي که واژه بشقابي توصيف کننده شکل مارتنزيت تشکيل شده در فولادهاي پرکربن است.بنابراين واژه هاي لايه و بشقاب به شکل سه بعدي بلورهاي منفرد مارتنزيت مربوط مي شود . در زيرميکروسکوپ ساختار مارتنزيت به شکل سوزني ديده مي شود . در حقيقت سوزن هاي ياد شدهمقاطع لايه ها و بشقاب هاي مارتنزيت با صفحه پوليش است که پس از پوليش و حکاکي ظاهر ميشوند .

واحد هاي تشکيل دهنده مارتنزيت بشقابي شکل ، از نظر اندازه و ابعاد کاملا در گستره تشخيص ميکروسکوپ نوري قرار دارند . اغلب آستنيت باقيمانده که در آلياژهاي پرکربن همراه با مارتنزيت وجوددارد در بهتر نمايان شدن بشقاب هاي مارتنزيتي در زير ميکروسکوپ نوري موثر است . اما بسياري ازواحد هاي تشکيل دهنده مارتنزيت لايه اي شکل ، از نظر اندازه و ابعاد در گستره تشخيصميکروسکوپ نوري نيستند . از طرفي ، توزيع آستنيت باقيمانده موجود در اين حالت ريزتر از آن است کهتوسط ميکروسکوپ نوري تشخيص داده شود . از اين رو تا قبل از اختراع ميکروسکوپ هاي الکتروني ،مارتنزيت بشقابي که به آساني توسط ميکروسکوپ هاي نوري قابل تشخيص بود بيشترين اهميت رادر زمينه عمليات حرارتي داشت . بيشتر فولادهايي که داراي قابليت سختي پذيري هستند دارايدرصد کربن کم و يا متوسط بوده و بنابراين ريزساختار آنها شامل مارتنزيت لايه اي است . در نتيجه ميتوان ادعا کرد که مارتنزيت لايه اي از نظر صنعتي اهميت زيادتري دارد .

مارتنزيت بشقابي :

مارتنزيت بشقابي شکل در فولادهاي پرکربن و همچنين آلياژهاي آهني ديگر به وجود مي آيد .

ريزساختار ياد شده از تيغه هاي درشت و سوزني شکل مارتنزيت که اغلب توسط مقدار زياديآستنيت باقيمانده احاطه شده اند ، تشکيل شده است . بي نظمي آرايش تيغه هاي مارتنزيت ، مستقيما به صفحات متعدد رابط با انديس هاي کاملا متفاوت در فولادهاي پرکربن مرتبط مي باشد .مطالعات نشان داده است که با افزايش درصد کربن (بيشتر از 1%  ) صفحات رابط از  225 }A } تا 259 }A }تغيير مي کنند . بر خلاف فولادهاي کم کربن ، در فولادهاي پرکربن تيغه  هاي مارتنزيتي ابتدامستقل از يکديگر بر روي صفحات رابط مشخص به وجود مي آيند و در ادامه انجام استحاله ، تيغه هايجديد مارتنزيت از تيغه هاي قبلي مارتنزيت آغاز و يا به آنها ختم مي شوند. يک نتيجه بسيار مهمناشي از تشکيل تيغه هاي متقاطع مارتنزيتي در آلياژهاي آهن –کربن ، عبارت از ايجاد ترک هاي موييدر اثر برخورد تيغه هاي ياد شده با يکديگر است . ترک هاي مويي تمايل دارند که در بزرگترين تيغه هايمارتنزيت به وجود آيند . بنابراين در فولادهاي ريز دانه ، از آنجايي که تيغه هاي مارتنزيت ظريف ترهستند ، امکان تشکيل ترک هاي مويي کاهش مي يابد . همچنين در فولادهاي کم کربن ( مارتنزيتلايه اي شکل ) از آنجايي که اندازه واحد هاي منفرد مارتنزيت کاهش مي يابد ، امکان برخورد آنها بايکديگر و در نتيجه ايجاد ترکهاي مويي حذف مي شود . مارتنزيت بشقابي در فولادهاي پرکربن نسبتا شکننده و حساس نسبت به ترک هاي مويي است . در آلياژهاي آهن – نيکل ، مارتنزيت از انعطاف پذيري بيشتري برخوردار است ، از اين رو تلاقي و برخورد واحدهاي منفرد مارتنزيتي با يکديگر منجر به شکسته شدن آنها و يا ايجاد ترک هاي مويي در آنها نخواهد شد .

مارتنزيت لايه اي شکل :

يکي از مشخصه هاي مهم ريزساختار مارتنزيت لايه اي شکل ، موازي قرار گرفتن تعداد زيادي لايه مارتنزيتي در نواحي وسيعي از دانه هاي آستنيت اوليه است . هر کدام از نواحي ياد شده که از يک سري صفحات موازي تشکيل شده اند ، به بسته مارتنزيت 1 موسوم است . با کاهش درصد کربن فولاد ، تمايل به تشکيل بسته هاي مارتنزيت افزايش مي يابد . واحدهاي تشکيل دهنده مارتنزيت لايه اي شکل بسيار ريزند ، ول در عين حال سوزني بودن مارتنزيت در ريزساختار مشهود است . مطالعات نشان داده اند با کاهش درصد کربن ، ابعاد لايه هاي مارتنزيت کاهش مي يابد ، به طوري که در مارتنزيت Fe-0,2%C ضخامت بيشتر لايه ها کمتر از حد تشخيص ميکروسکوپ نوري ( 0,5 ميکرون ) است . بنابراين با کاهش کربن فولاد درصدي از مارتنزيت که توسط ميکروسکوپ نوري قابل تشخيص نيست افزايش مي يابد . از اين رو ، با کاهش درصد کربن کارآيي ميکروسکوپ هاي نوري در رابطه با مطالعه مارتنزيت لايه اي شکل کاهش مي يابد .

مخلوط مارتنزيت هاي بشقابي و لايه اي ( مارتنزيت مختلط ) :

در آلياژهاي آهن – کربن با 0,6 تا 1 درصد کربن ، هر دو نوع مارتنزيت لايه اي و بشقابي در جوار يکديگر به وجود مي آيند . در گستره فوق ، با افزايش درصد کربن احتمال تشکيل مارتنزيت بشقابي افزايش مي يابد . همچنين با افزايش درصد کربن ، واحدهاي منفرد مارتنزيتي تشکيل شده نيز درشت تر مي شوند . از طرف ديگر ، مقدار مارتنزيت لايه اي شکل کاهش خواهد يافت . پارامتر تعيين کننده نوع مارتنزيت ، دماي تشکيل آن است . بدين صورت که اگر دماي Ms زير يک دماي بحراني باشد ، مارتنزيت حاصل عمدتا از نوع بشقابي است ، در غير اين صورت ، مارتنزيت لايه اي شکل به وجود مي آيد .

از آنجايي که دماي Ms يک فولاد توسط درصد کربن آن کنترل مي شود ، بنابراين مي توان گفت که نوع مارتنزيت نيز توسط درصد کربن مشخص مي شود . از اين رو ، بر اساس درصد کربن فولاد ( از 0,6 تا 1 % ) يک گستره دمايي براي تشکيل مخلوط مارتنزيت بشقابي و لايه اي شکل ( مارتنزيت مختلط ) وجود دارد . براي فولادهاي کربني ساده گستره دماي فوق تقريبا بين 200 تا 320 درجه سانتي گراد است .

بلورشناسي استحاله مارتنزيتي :

مکانيزم برشي استحاله مارتنزيتي که نياز به نفوذ ندارد ، مستلزم ارتباط تنگاتنگ و خوب بلوري بين فاز آستنيت مادر و فاز هاي محصول است . در آلياژهاي آهني ، دو پارامتر مهم اين ارتباط بلوري و يا مشخصه ويژه اين ارتباط متقابل بين آستنيت و مارتنزيت را بيان و تاکيد مي کند :

يکي ارتباط بين جهت ها در شبکه هاي بلوري آستنيت مادر و محصول مارتنزيت است . اين ارتباط جهت ها صفحات و جهت هايي از فاز آستنيت مادر را که با صفحات و جهت هاي مارتنزيت محصول موازي اند مشخص مي کند . با استفاده از تکنيک پراش پرتوي ايکس ، دو نوع از چنين ارتباط هاي جهت گيري در سيستم هاي آلياژي آهني تعيين شده اند . يکي ارتباطي که گفته مي شود براي فولاد هاي پر کربن با صفحات رابط {A {225آستنيت وجود دارد :

{111}A || {101}M

A || M

و ديگر ارتباطي که در ديگر آلياژها با صفحات {A {259  آستنيت وجود دارد :

{111}A || {011}M

A || M 

پارامتر بلوري ديگري که ارتباط متقابل آستنيت مادر و فازهاي محصول را مورد تاکيد قرار مي دهد ، صفحه رابطي است که در ناحيه تغير شکل مومسان در آستنيت مادر هنگام تشکيل مارتنزيت به وجود مي آيد . در فولادها صفحه رابط صفحه اي است در فاز آستنيت مادر که بر روي آن مارتنزيت تشکيل شده و رشد مي کند . هنگامي که دگرگوني مارتنزيتي کامل مي شود ، صفحه رابط وجه مشترک سطحي است که بين آستنيت ب اقيمانده و بلورهاي مارتنزيت وجود دارد . ليکن واقعيت آن است که وجه مشترک بين مارتنزيت و آستنيت در فولادها ممکن است کاملا نامنظم بوده و صفحه رابط فقط در محل ميدريب واقعا مسطح و صاف باشد . ميدريب نقطه شروع تشکيل بلور مارتنزيت است . اهميت صفحه رابط نه تنها به خاطر ارتباط آن با شروع و پيشرفت استحاله مارتنزيتي است ، بلکه به خاطر اثرات آن بر روي آرايش ريزساختاري در دانه هاي آستنيت مادر مربوط به صفحات مارتنزيتي زياد بوده که يک ريزساختار سخت را به وجود مي آورد . صفحه رابط تابعي از ترکيب شيميايي ، به ويژه درصد کربن ا ست . ارتباط جهت گيري و صفحه رابط در يک فولاد پارامترهايي هستند که ارتباط بلوري آستنيت و مارتنزيت حاصل را مشخص

مي کند . بلور شناسي همچنين در رابطه با توضيح خود دگرگوني مارتنزيتي اهميت دارد . نقش و استفاده مهم ديگر نظريه بلور شناسي عبارت است از پي بردن به من شا ساختار ظريف داخلي مربوط به هر بلور مارتنزيتي . بسته به ترکيب شيميايي آلياژ ، ساختار ريز و ظريف داخلي ممکن است متشکل از نابجايي ها ، دوقلوها و يا هر دو باشد . گرچه تشکيل ساختار ظريف داخلي تا حدودي در هر نوع دگرگوني که مستلزم برش و نفوذ براي به وجود آمدن فاز جديد است رخ مي           دهد ، ولي حضور چنين ريزساختاري نتيجه منحصر به فرد استحاله مارتنزيتي است . تشکيل فريت ويدمن اشتاتن و باينيت مثال هايي از دگرگوني از نوع برشي در اين رابطه است .

نظريه بلورشناسي تشکيل مارتنزيت بر اساس دو مشاهده ريزساختاري مهم ( نسبت به ابعاد اتمي ماکروسکوپي ) استوار است : يکي آنکه صفحه رابط کج و يا چرخيده نشده است ، ديگر آن که تغيير شکلي که موجب کج شدن سطح مي شود همگن بوده و ناشي از کرنش صفحه اي است .

کرنش صفحه اي ممکن است به صورت برش و يا جابجايي بر روي صفحاتي موازي صفحه رابط قابل مشاهده باشد . گفته شده است که تغير شکل مي تواند صرفا توسط تغيير شکل شبکه (يعني درفولادها تغيير شبکه از fcc آستنيت به bct مارتنزيت ) حاصل شود . در واقع براي تامين شرايط لازم براي انجام کرنش صفحه اي و صفحه رابط تحريف شده تغيير شکل ديگري نيز نياز است . اين تغيير شکل اضافي ، تغيير شکل ثابت شبکه شامل تغيير شکل بلور مارتنزيت bct توسط دوقلو شدن يا لغزش بوده و شامل تغيير در شبکه يا ساختار بلوري نيست .