Fagartikkel

Martensitt

Atomstrukturen i stål kan ha mange ulike fasar og strukturar. Ein av desse strukturfasane blir kalla martensitt.

Strukturar i stål. Avlange kantete strukturar som går på kryss og tvers. Foto. — Martensittisk mikrostruktur i eit 0,35 vektprosent karbonstål, bråkjølt i vatn frå 870 °C. Mikrostrukturen består av ei brokete samling av nåler/stavar. Innan avgrensa område (i storleik på nokre titals mikrometer) er nålene orienterte i meir eller mindre same retning. Biletet er teke i eit lysmikroskop. Bilete: Metallos / CC BY-SA 4.0

Kva er martensitt?

Martensitt er den hardaste typen mikrostruktur som finst i stål. Han blir spesielt hard og sprø når han inneheld mykje karbon. Grunnen er at karbonatoma i martensitt gjer stålet veldig stressa på eit mikroskopisk nivå. Dette stresset hindrar stålet i å deformere plastisk, noko som betyr at det ikkje kan bli bøygd eller forma utan å brekke.

I tillegg har martensitt mange små feil og grenser mellom korna i strukturen, noko som òg gjer det hardare.

Når stål med martensitt blir varma opp i ein prosess som blir kalla anløping, blir både hardleiken og sprøheita redusert. Under anløpinga vil karbonatoma danne små partiklar som blir kalla karbid, og desse hjelper til med å redusere stresset i strukturen.

Ulike typar martensittisk stål
Ståltype	Karboninnhald	Bruksområde	Varmebehandling og eigenskapar
Seigherdingsstål	0,25–0,50 %	Maskindelar som akslingar, veivstenger, stempelstenger og tannhjul	Blir anløpt ved høg temperatur for å oppnå høg seigleik, noko som gjer at dei toler slag og støyt.
Verktøystål	0,5–2,0 %	Verktøy og reiskapar	Svært hardt og slitesterkt. Kan innehalde høge mengder legeringselement for spesielle eigenskapar som varmebestandigheit. Blir anløpt for å få rett balanse mellom hardleik og seigleik.
Settherdingsstål	Lågt i kjernen, høg overflatekarbon etter oppkoling (~0,9 %).	Produkt som treng høg overflatehardleik, som tannhjul og andre deler som er utsette for høg slitasje	Overflata blir oppkola ved høg temperatur, følgt av rask nedkjøling og lett anløping.
Fjørstål		Mange fjørstål inneheld martensitt og blir brukte i applikasjonar der fjøring er viktig

Struktur

Martensitt er ein kroppssentrert tetragonalkrystallstruktur som blir danna ved hurtig avkjøling av stål frå ein temperatur over den kritiske temperaturen til austenitten.

I ein tetragonal struktur er avstanden mellom atoma lik i to av dei tre aksane X, Y og Z, og atoma i alle tre aksar er kopla til kvarandre.

To kubiske illustrasjonar der det i kvart hjørne er ei kule, og det er strek mellom kulene. I illustrasjonen til høgre er det i tillegg ei kule i senter av kuben. Illustrasjon. — I ein tetragonal struktur er avstanden mellom atoma lik i to av tre aksar. Bilete: Jean-Luc W / CC BY-SA 4.0

Korleis blir martensitt danna?

For å danne martensitt må vi gjennomføre ein herdeprosess. Dette gjere vi ved å varme opp stålet til ein høg temperatur og deretter kjøle det raskt ned. Denne prosessen gjer stålet hardare og meir slitesterkt, noko som er avgjerande for mange industrielle applikasjonar.

Martensitt blir danna når stål blir herda ved å bli avkjølt raskt nok til å hindre diffusjon av karbonatom, som normalt ville resultert i danninga av perlitt.

Danninga av martensitt

1. Oppvarming til austenittområdet

Først må stålet varmast opp til ein høg temperatur, vanlegvis mellom 800 og 1000 °C, avhengig av stålsamansetjinga. Ved denne temperaturen blir mikrostrukturen til stålet transformert til austenitt, som er ein fase der jernatom dannar eit kubisk gitter og karbonatoma er laust innebygde.

2. Hurtig nedkjøling (bråkjøling)

Deretter blir stålet kjølt raskt ned ved hjelp av vatn, olje eller ein annan kjølemetode. Denne raske nedkjølinga hindrar karbonatoma i å flytte seg ut av gitterstrukturen til jernet.

3. Danning av martensitt

Under denne raske nedkjølinga blir austenitt transformert til martensitt. Martensitt har ein heilt annan gitterstruktur enn austenitt. I staden for eit kubisk gitter dannar martensitt ein tetragonal gitterstruktur. Denne strukturelle forandringa skjer så raskt at karbonatoma "blir fanga" i gitteret, noko som skaper høgt indre stress og gjer martensitt ekstremt hard, men òg sprø.

4. Etterbehandling (anløping)

For å redusere sprøheita og forbetre seigleiken går martensitt vanlegvis gjennom ein prosess som blir kalla anløping. Dette inneber å varme opp stålet til ein lågare temperatur (mellom 150 og 650 °C) og deretter la det avkjølast langsamt. Under anløpinga blir det danna små karbidpartiklar frå det "faste" karbonet, noko som reduserer indre stress og gjer stålet seigare samtidig som det beheld ein stor del av hardleiken.

Oppsummering

oppvarming: oppvarming av stålet til austenittområdet
bråkjøling: rask nedkjøling for å fange karbonatom i gitteret
martensitt: danning av ein tetragonal gitterstruktur som gjer stålet hardt og sprøtt
anløping: etterbehandling for å redusere sprøheit og auke seigleiken

Fordelar med martensittstål

Martensitt har høg hardleik og styrke, noko som gjer det eigna for bruksområde som krev slitasjemotstand og styrke.

Ulemper med martensittstål

Martensitt er sprø og har låg seigleik, noko som kan gjere han sårbar for brot under påverknad av slag eller støyt.