فولاد مارتنزیت چیست؟ کاربرد و مزایای آن

فولاد مارتنزیت ممکن اسم نسبتاً سخت و ناآشنایی داشته باشد، اما در زندگی روزمره ما به راحتی یافت می شود. تا به حال به ساختار چاقوهای آشپزخانه یا ابزارهای مختلف بسیار برنده دقت کرده اید؟ این محصولات به صورت مداوم با اجسام یا ابزار آلات دیگر در ارتباط و سایش قرار دارند، اما استحکام آن ها ثابت است و موارد بسیار کمی از تغییرات آن ها وجود دارد. فولادهایی که برای ساخت این گونه محصولات و ابزارآلات مورد استفاده قرار می گیرند، مارتنزیت نام دارد که در ادامه به بررسی ساختار، تفاوت با سایر فولاد ها، مشخصات، کاربرد و روند تولید آن می پردازیم.

مارتنزیت

بهتر است بدانید مارتنزیت در واقع یک ساختار فولادی می باشد که به وسیله جا به جایی تعداد بسیاری از اتم ها به شکل گروهی و همزمان ایجاد می گردد. در واقع این ساختار از فولادهای ضد زنگ تولید می شود که به پنج دسته اصلی فریتی، آستنیتی، مارتنزیتی، رسوب سخت شونده و داپلکس تقسیم بندی می شوند و تنها بر روی فولادهایی قابل انجام است که بیشتر از 3/0 درصد کربن در ساختار خود داشته باشند. در آلیاژهای فولادی، آهن و کربن ماتنزیت از طریق سرد شدن آستنیت به دست می آید که فرآیندی کاملاً مستقل از نفوذ می باشد. در واقع میکرو ساختار مارتنزیتی، سخت ترین ساختاری است که در یک فولاد رخ می دهد.

این نوع فولاد ها با استفاده از روش های عملیات حرارتی، سخت و تمپر خواهند شد و به طور عادی از کوئنچ کردن فولاد در ناحیه آستنیتی به دست می آیند. در واقع این موضوع که ساختار آستنیتی به سرعت سرد می گردد، سبب به وجود آمدن استحاله مارتنزیتی و فولاد مارتنزیت خواهد شد. این نوع فولادها می توانند از فولاد پرکربن یا کم کربن با درصد 2/1 تا 3/0 باشند.

سرعت سرد شدن این فولادها بسیار بالا می باشد؛ از این رو سختی و استحکام آن ها نیز زیاد است. از سوی دیگر این سختی سبب کاربردهای بیشتر فولاد ماتنزیت شده است. این سختی و استحکام نیز به سبب واپیچیدگی شبکه کریستالی و تنش های داخلی نیز هستند. بیشترین کاربرد این فولادها نیز در مصارفی است که نیاز به مقاومت در برابر خستگی و سایش باشد. این در صورتی است که بیشترین سختی فولادهای پرلیتی حدود 400 برینل می باشد، اما فولاد ماتنزیت حدود 700 برینل سختی را به خود اختصاص داده است.

اشکال مختلف ماتنزیت

در فولادهای پرکربن که سختی بسیار بیشتری دارند، ماتنزیت به سه صورت لایه ای، بشقابی و مختلط به وجود می آید که بر اساس میکروساختار و تیغه های ماتنزیتی می باشد. نوع لایه ای، از قرار گرفتن لایه های مارتنزیت به صورت دسته ای و در طرف های مختلف به دست می آید که در فولادهایی با کربن کمتر در حدود 3/0 تا 6/0 درصد به وجود می آید.

بر خلاف نوع لایه ای، مارتنزیت بشقابی در فولادهایی که درصد کربن آن ها بیش از 1 درصد می باشد، به وجود می آیند. میکروساختار این ماتنزیت نیز شامل تیغه های درشت و سوزنی شکل می باشد. حالت میانی آن ها نیز زمانی اتفاق می افتد که درصد کربن فولاد بین 6/0 تا 1 درصد باشد و به آن ماتنزیت مختلط می گویند.

چه نوع فولادی برای ساختار مارتنزیت مناسب است؟

یکی از مهم ترین خاصیت هایی که در فولادهای مارتنزیتی وجود دارد، مربوط به سختی پذیری فولاد می باشد. در واقع تمامی فولادها را نمی توان به راحتی با سرد کردن سریع به مارتنزیتی و سخت تبدیل کرد. منظور از سختی پذیری، میزان قابلیت تشکیل شدن مارتنزیت در فولاد به وسیله سرد شدن سریع ناحیه آستنیت می باشد و با استفاده از نمودارهای TTT و CCT توجیه می گردد.

حال بر اساس این نمودارها، سرعت سرد شدن فولادها باید به گونه ای باشد که نمودار سرد شدن از ناحیه دمای شروع و پایان مارتنزیت که خطوط Ms و Mf نامیده می شوند، کاملاً عبور کند. این موضوع باید بدون وارد شدن نمودار در منطقه تشکیل بینیت و پرلیت رخ دهد؛ در غیر این صورت مارتنزیت در ساختار به وجود نمی آید و در نتیجه سختی مد نظر تشکیل نمی شود.

با توجه به این ساختار بهتر است بدانید هر چه میزان آستنیت باقی مانده در ساختار نهایی افزایش یابد، استحکام مارتنزیت نیز کمتر می شود. یک سری پارامتر نیز بر سختی پذیری فولادها مؤثر هستند که از جمله آن ها می توان به درصد کربن، ناخالصی ها، سرعت سرد شدن، ضخامت قطعه و عناصر آلیاژی اشاره کرد و بیشتر بر روی فولادهای کربنی با درصد 3/0 انجام می گیرد؛ زیرا عنصر آلیاژی کربن مهم ترین نقش را در میزان سختی فولاد ایفا می کند. همچنین اگر سرعت سرد شدن فولاد از یک میزان خاصی کمتر باشد، فاز پرلیت از نواحی مرزدانه جوانه زده و در نهایت ساختار فولاد از پرلیت و مارتنزیت به صورت ترکیبی تشکیل می شود که قابل قبول نیست.

جالب است بدانید اگر مارتنزیت کردن فولاد برای قطعاتی که درصد کربن آن ها کمتر از 3/0 می باشد، انجام شود، به علت کم بودن درصد کربن یک مارتنزیت ناقص و همراه با سختی پایین و نامطلوب به وجود می آید. در اصطلاح این قطعات را با عنوان فولادهایی که آب نمی گیرند، می شناسند.

کاربردهای فولاد مارتنزیتی

ویژگی هایی مانند مقاومت و استحکام فولاد مارتنزیتی در برابر سایش و سختی بالا سبب شده تا از آن برای ساخت ابزارهای تیز و برنده مانند چاقو، قیچی، میله و ... استفاده کنند. از سوی دیگر می توان به وسیله اضافه کردن عنصر کرون در حدود 12 تا 18 درصد به فولاد، میزان مقاومت آن را در برابر خوردگی افزایش داد. فولادهای ضد زنگ مارتنزیتی نیز به همین روش و با افزودن کروم به ترکیبات آن ها تولید شده و در موارد زیر به کار برده می شوند:

• پره های توربین
• تیغه های ریش تراش
• چاقوهای آشپزخانه
• ابزار جراحی
• لوله تفنگ و ...

با این حال بهتر است بدانید یکی دیگر از مهم ترین کاربردهای قطعات مارتنزیتی در ساخت فولادهای خود سخت شونده یا Hadfield می باشد. البته درست است که ساختار ابتدایی این فولادها آستینیتی می باشد که به علت وجود عنصر آلیاژی منگنز در ساختار آن است، اما ساختار آن ها به گونه ای است که با ایجاد کردن کوچک ترین تغییر پلاستیکی، به فولاد مارتنزیت و سخت تبدیل می شود.

از فولادهای خود سخت شونده نیز در مصارفی که نیاز به مقاومت در برابر سایش حائز اهمیت است، استفاده می کنند. از جمله این مصارف می توان به گلوله های آسیاب کن سنگ ها اشاره کرد. با یک مثال ساده در مورد این فولادها می توان گفت اگر بدنه یک اتومبیل از فولاد خود سخت شونده ساخته شود و تصادفی صورت بگیرد، بر اثر آن ضربه به فولاد مارتنزیت با سختی بالا تبدیل می گردد.

جمع بندی

در نهایت بهتر است بدانید فرآیند تولید فولاد مارتنزیت تنها به سرعت بالای سرد شدن ختم نمی شود و برای جلوگیری از شکننده شدن فولاد، با استفاده از یک عملیات حرارتی در زیر دمای آستنیته تنش های پسماند داخلی آزاد خواهند شد. از سوی دیگر بخش اضافی کربن که در ساختار BCT فولاد باقی مانده بود، آزاد شده و فازهای تعادلی فریت و سمنتیت به وجود می آیند. به این فولاد، مارتنزیت تمپر شده گفته می شود و دارای سختی و استحکام بالا، انعطاف پذیری و همچنین چکش خواری مناسبی است. همچنین این فولادها خاصیت جوش پذیری نسبتاً ضعیفی داشته و برای جلوگیری از آسیب رسیدن به آن، باید پیش از عملیات جوشکاری در دمای 200 تا 400 درجه سانتی گراد پیشگرم شود.