Martensitt
Hva er martensitt?
Martensitt er den hardeste typen mikrostruktur som finnes i stål. Den blir spesielt hard og sprø når den inneholder mye karbon. Grunnen er at karbonatomene i martensitt gjør stålet veldig stresset på et mikroskopisk nivå. Dette stresset hindrer stålet i å deformere plastisk, noe som betyr at det ikke kan bøyes eller formes uten å brekke.
I tillegg har martensitt mange små feil og grenser mellom kornene i strukturen, noe som også gjør det hardere.
Når stål med martensitt varmes opp i en prosess som kalles anløping, blir både hardheten og sprøheten redusert. Under anløpinga vil karbonatomene danne små partikler som kalles karbider, og disse hjelper til med å redusere stresset i strukturen.
Ståltype | Karboninnhold | Bruksområde | Varmebehandling og egenskaper |
|---|---|---|---|
| Seigherdingsstål | 0,25–0,50 % | Maskindeler som akslinger, veivstenger, stempelstenger og tannhjul | Anløpes ved høy temperatur for å oppnå høy seighet, noe som gjør at de tåler slag og støt. |
| Verktøystål | 0,5–2,0 % | Verktøy og redskaper | Svært hardt og slitesterkt. Kan inneholde høye mengder legeringselementer for spesielle egenskaper som varmebestandighet. Anløpes for å få riktig balanse mellom hardhet og seighet. |
| Settherdingsstål | Lavt i kjernen, høy overflatekarbon etter oppkulling (~0,9 %). | Produkter som trenger høy overflatehardhet, som tannhjul og andre deler som er utsatt for høy slitasje | Overflata blir oppkullet ved høy temperatur, fulgt av rask nedkjøling og lett anløping. |
| Fjærstål | Mange fjærstål inneholder martensitt og brukes i applikasjoner hvor fjæring er viktig |
Struktur
Martensitt er en kroppssentrert tetragonalkrystallstruktur som dannes ved hurtig avkjøling av stål fra en temperatur over austenittens kritiske temperatur.
I en tetragonal struktur er avstanden mellom atomene lik i to av de tre aksene X, Y og Z, og atomene i alle tre akser er koblet til hverandre.
Hvordan dannes martensitt?
For å danne martensitt må vi gjennomføre en herdeprosess. Dette gjøre vi ved å varme opp stålet til en høy temperatur og deretter kjøle det raskt ned. Denne prosessen gjør stålet hardere og mer slitesterkt, noe som er avgjørende for mange industrielle applikasjoner.
Martensitt dannes når stål herdes ved å avkjøles raskt nok til å hindre diffusjon av karbonatomer, som normalt ville resultert i dannelsen av perlitt.
Dannelsen av martensitt
1. Oppvarming til austenittområdet
Først må stålet varmes opp til en høy temperatur, vanligvis mellom 800 og 1000 °C, avhengig av stålsammensetninga. Ved denne temperaturen transformeres stålets mikrostruktur til austenitt, som er en fase hvor jernatomer danner et kubisk gitter og karbonatomene er løst innebygd.
2. Hurtig nedkjøling (bråkjøling)
Deretter kjøles stålet raskt ned ved hjelp av vann, olje eller en annen kjølemetode. Denne raske nedkjølinga hindrer karbonatomene i å flytte seg ut av jernets gitterstruktur.
3. Dannelse av martensitt
Under denne raske nedkjølinga transformeres austenitt til martensitt. Martensitt har en helt annen gitterstruktur enn austenitt. I stedet for et kubisk gitter danner martensitt en tetragonal gitterstruktur. Denne strukturelle forandringa skjer så raskt at karbonatomene "fanges" i gitteret, noe som skaper høyt indre stress og gjør martensitt ekstremt hard, men også sprø.
4. Etterbehandling (anløping)
For å redusere sprøheten og forbedre seigheten gjennomgår martensitt vanligvis en prosess som kalles anløping. Dette innebærer å varme opp stålet til en lavere temperatur (mellom 150 og 650 °C) og deretter la det avkjøles langsomt. Under anløpinga dannes små karbidpartikler fra det "faste" karbonet, noe som reduserer indre stress og gjør stålet seigere samtidig som det beholder en betydelig del av hardheten.
Oppsummering
oppvarming: oppvarming av stålet til austenittområdet
bråkjøling: rask nedkjøling for å fange karbonatomer i gitteret
martensitt: dannelse av en tetragonal gitterstruktur som gjør stålet hardt og sprøtt
anløping: etterbehandling for å redusere sprøhet og øke seigheten
Fordeler med martensittstål
Martensitt har høy hardhet og styrke, noe som gjør det egnet for bruksområder som krever slitasjemotstand og styrke.
Ulemper med martensittstål
Martensitt er sprø og har lav seighet, noe som kan gjøre den sårbar for brudd under påvirkning av slag eller støt.