Martensitt

Martensitt er en fase som kan oppstå i stål med utvalgte legeringselementer, varmebehandling og avkjøling.

Martensitt sett i et mikroskop. Bilde er tatt ved The University of Texas at Austin. Det er brukt AISI 4140-stål som er austenitisert ved 850 grader og bråkjølt til romtemperatur.

Denne fasen er metastabil, det vil si at den ikke er forventet fra fasediagram, som kun viser termodynamisk stabile faser. Martensitt regnes som en ståltype med svært høy styrke, og den finnes i rustfrie varianter.

Dannelse av martensitt

Martensitt dannes ved nedkjøling av rødglødende stål. Figurene viser noen mulige nedkjølingsforløp: 1. Avkjøling for å få martensitt (bråkjøling) 2. Avkjøling for å få bainitt (isotermisk) 3. Avkjøling for å få bainitt (anisotermisk) 4. Perlittområdet 5. Bainittområdet

Grunnen til at martensitt har høyere styrke enn mange andre ståltyper er blant annet den faseendringen materialet gjennomgår under bråkjølingen av austenittisk stål, som skaper store indre spenninger (egenspenninger eller restspenninger). Nedkjølingen er så hurtig at atomer får liten tid til å flytte seg særlig langt inne i kornstrukturen. All martensitt er derfor sprøtt.

Egenspenningene oppstår etter skjærdeformasjoner i austenitten, når den omdannes til martensitt. Skjærdeformasjonene er viktige for både den elastiske og plastiske oppførselen når den utsettes for laster.

Reduksjon av egenspenninger

For å reduserer de indre spenningene blir stålet ofte spenningsglødet (temperert). Temperaturforskjellene i stålet skal da være minst mulige, så vel under gløding som avkjøling. Avhengig av anvendelsen kan temperaturen være fra 150 til 700 grader.

Brukes temperaturer i området 590–680°C, man kan regne med en liten styrkereduksjon. Spenningsglødingen gjør også martensitten mer duktil (seigt og strekkbart) og egnet til praktiske formål. Karbonet sammen med jern utfeller sementitt i finfordelt form i martensitten. Dette fører til en delvis utløsning av gitterspenningene slik at tvangstilstanden dempes, hardheten faller og duktiliteten øker (anløping), samtidig er det bare en beskjeden reduksjon i styrke.

En annen måte å redusere egenspenningene på, er å strekke stålkonstruksjonen til den får plastiske deformasjoner. Martensitten begynner å få plastiske deformasjon (flyt) ved om lag halvparten av bruddspenningen. Det er flere mekanismer som kan bidra til dette. En må ha deformasjoner over to prosent for at hele stålet skal oppføre seg plastisk.

Samvirke med bainitt

Bainitt opptrer også etter hurtig nedkjøling, men langsommere enn martensitt. Martensitten er lysere i fargen enn bainitt. Bainitt trenger i motsetning til martensitt, ikke videre varmebehandling før det kan tas i bruk.

I en del tilfeller lager en blandinger av bainitt og martensitt, som kan øke styrken - for eksempel anvendt i kjetting. Blandinger av bainitt og martensitt reduserer duktilitet, seighet og styrke. Det er knyttet til de store forskjellene i styrke. Ved å varmebehandle blandingen, blir styrkeforskjellene vesentlig mindre. Blandingen kan da få bedre egenskaper enn de to typene hver for seg. Det gjelder spesielt ved bruk av nedre bainitt. Bruk av ca. 20% nedre bainitt i martensitt fører til økt styrke og seighet.

Legeringer

Ved å bruke noen legeringer trenger en ikke bråkjøle like fort. Temperaturen inne stålet får da lengre tid på seg til å kjøle seg ned. En kan da få dannet martensitt i tykkere tverrsnitt.

Mekanisk omdanning til martensitt

I 2016 ble det påvist at austenittisk stål kan omdannes til martensitt ved mekanisk påkjenning. Videre kan Fe-C-martensitt dannes i perlittisk stål utsatt for store påkjenninger uten høye temperaturer.

Det er erfart at stål som er varmet opp slik at de blir rødglødende under bruk, er omdannet til ikke anløpt martensitt. Det har skjedd ved ploger som har blitt kjørt gjennom jord med stor hastighet og kjettinger som er blitt trukket på ru asfaltflater. De har da vært sprø, og røket ganske fort.