مارتنزیت چیست؟ کاربرد، انواع و فرآیند تولید مارتنزیت چیست؟

مارتنزیت چیست؟ باید گفت که مارتنزیت، (به زبان انگلیسی: Martensite)، یک فاز از فولاد است. چیزی که اگر با دنیای آهن سر و کار داشته باشید، بعید است اسمش به گوشتان نخورده باشد. اما مارتنزیت دقیقا چیست؟ درواقع فازی از فولاد که با تبدیلی بدون پراکندگی و برش آستنیت در فولادها شکل بگیرد، مارتنزیت است. چیزی که به ساختار اصلی فولادهای سخت تبدیل شده است.

مارتنزیت در شرایط تعادل شکل نمی‌گیرد، به همین دلیل در نمودار کربن و آهن نیز نمایش داده نخواهد شد. ایجاد مارتنزیت خیلی هم سخت نیست و کافی است که یک خنک کاری سریع تا دمای بحرانی پایین (مشهور به A1) انجام شود. اما همان‌طور که از نمودار آهن و کربن انتظار داریم، اگر به این دما نرسیم و گرم‌تر باشد، مارتنزیت به دو فاز دیگر، شامل سمنتیت و فریت تجزیه خواهد شد.
پس اگر به این مباحث علاقه دارید، حتما تا انتهای مطلب حاضر همراه باشید. قرار است با حوصله بفهمیم که مارتنزیت چیست؟ انواع مارتنزیت چیست؟ کاربردش چه چیزی است؟ و نهایتا فرآیند تولید مارتنزیت غالبا چگونه رخ می‌دهد؟

تعریف دقیق‌تر مارتنزیت چیست؟

مارتنزیت در اصل یک گونه از استحاله در مواد محسوب می‌شود. اگر با نگاهی کلی، دسته‌بندی سه وجهی از استحاله در مواد داشته باشیم، باید بگوییم که استحاله‌های فازی عبارت‌اند از: استحاله‌های بدون وقوع نفوذ، استحاله‌های مبتنی بر وقوع نفوذ (بدون تغییر ترکیب شیمیایی)
و استحاله‌های مبتنی بر وقوع نفوذ (همراه با تغییر ترکیب شیمیایی). در این سه نوع و در نوع اول، حرکت دسته‌جمعی اتم‌ها را شاهد هستیم. در دو نوع دیگر، حرکت منفرد اتم‌ها را من باب وقوع جوانه‌زنی و رشد اتم‌ها خواهیم دید. که البته این‌ها بحث‌هایی فراتر از مقاله حاضر هستند.

استحاله مارتنزیتی یک استحاله بدون وقوع نفوذ به شمار می‌آید. پس با پایه بحث مارتنزیت آشنا شدیم که مارتنزیت چیست؟ ضمنا به دلیل حرکت دسته جمعی اتم‌ها، به مارتنزیت، استحاله برشی ( به زبان انگلیسی: Sheared Transformation) نیز گفته می‌شود.

حالا بهتر است که سراغ تعریف واضح‌تری از روند مارتنزیت برویم. زیرا مارتنزیت و استحاله مارتنزیتی، جزو یکی از مهم‌ترین فرآیندها در علم متالورژی محسوب می‌شوند.

همان‌طور که پیشتر گفتیم، مارتنزیت یک فاز ناپایدار محسوب می‌شود. فازی که از سرد کردن سریع فولادی که آستینت شده باشد، حاصل خواهد شد. البته منظور از سرد کردن، آن هم  سرد کردن سریع در این‌جا به دمایی در حدود 70 الی 80 درجه سلسیوس اشاره دارد. البته این عدد نسبت به جنس متفاوت انواع فولاد، کمی فرق خواهد کرد. اما در هرصورت برای به دست آوردن مارتنزیت، باید از سرعت سرمایشی بسیار بالایی استفاده کنیم.

ساختار مارتنزیت

برخلاف سایر دگرگونی‌های مواد، اعم از تشکیل پرلیت، بازیابی، تبلور مجدد و غیره که با وقوع نفوذ اتم همراه خواهند بود، در استحاله به شیوه مارتنزیت، خبری از چنین چیزی نیست. این مساله یعنی آن که ساختار مارتنزیت نسبت به آستینت پیشین خود و ترکیبات شیمیایی که آن آستینت داشت، هیچ تفاوتی نخواهد داشت.

ضمنا از نظر ساختاری، وقتی که سرد شدن سریع صورت بگیرد، اتم‌های کربن دیگر فرصتی پیدا نمی‌کنند تا بخواهند از ساختار بیرون بروند. به همین دلیل هر چه اتم کربن هست، در ساختار BBC هشت وجهی شبکه جای خواهد گرفت و آن‌جا محبوس خواهد شد. با این محبوس شدن کربن‌ها، ساختار بی بی سی، کمی تغییر پیدا خواهد کرد. زیرا ساختار از یک وجه کشیده شده و چیزی جدید به نام BCT (Body Centered Tetragonal) پدید خواهد آمد. ضمنا هرچه عنصر آلیاژی در فولاد بیشتر باشد، بلور مارتنزیت ما درنهایت امر، کشیده‌تر و مستطیلی‌تر خواهد شد.

کاربرد مارتنزیت چیست؟

حالا شاید برایتان سوال پیش بیاید که این همه تئوری جدید و دردسر کشیدن برای چیست؟ درواقع کاربرد ماتنزیت چیست؟ و ما برای چه می‌خواهیم مارتنزیت داشته باشیم؟

باید گفت که مارتنزیت به دلیل مقاومت بالا و پایداری که در مقابل سختی و سایش سنگین دارد، می‌تواند در انواع وسایل و ابزارآلات مختلف صنعتی مورداستفاده قرار بگیرد. در ادامه موردهایی از کاربرد مارتنزیت را با هم مرور خواهیم کرد:

• لوله تفنگ جنگی
• پره توربین بادی و آبی
• ابزار و وسایل جراحی و اتاق عمل
• تیغه ریش‌تراش‌ها
•  و...

انواع مارتنزیت چیست؟

حالا ببینیم انواع مارتنزیت چیست؟ براساس تحقیقات دانشمندان و مشاهده ساختار مارتنزیت زیر میکروسکوپ، کلا دو نوع مارتنزیت داریم. یکی از انواع را به نام مارتنزیت لایه‌ای و دیگری را به نام مارتنزیت بشقابی نامگذاری کرده‌اند.

البته نوع مارتنزیتی که تشکیل می‌شود، پیش از هر مولفه‌ای به درصد کربن به کار رفته، عناصر داخل آلیاژ (و مقدار آنان) و همچنین دمای Ms فولاد بستگی خواهد داشت. در ادامه هر دو نوع مارتنزیت را به اختصار مرور خواهیم کرد.

مارتنزیت بشقابی

مارتنزیت بشقابی، در فولادهای با کربن بالا (در حدود یک درصد کربن) مشاهده شده است. واحدهایی که مارتنزیت بشقابی را تشکیل می‌دهند، بسیار بزرگ هستند؛ بنابراین با میکروسکوپ نوری هم دیده خواهند شد. در این نوع فولاد، به دلیل وجود کربن بالا، مقدار زیادی هم آستینت موجود است که کمک می‌کند تا ساختار بهتر دیده شود.

ریزساختار فولادهای مذکور، حاوی تیغه‌هایی درشت است. تیغه‌هایی که توسط آستینت باقی‌مانده احاطه شده‌اند. تیغه‌های مارتنیزیتی در فولادهایی با کربن بالا، روی صفحاتی با رابط مختلف جوانه می‌زنند. این فرآیند ادامه پیدا می‌کند و استحاله مارتنزیت‌های بعدی روی تیغه‌های اولیه صورت خواهد گرفت. به دلایل یادشده، معمولا ساختار مارتنزیت بشقابی به صورت بسیار نامنظم و درهم و برهم خواهد بود.

در آلیاژهای آهن کربن، معمولا به دلیل رشد و اتصال تیغه‌های مارتنزیت، محل اتصال حاوی ترک‌های مویی خواهد بود. این ترک‌ها طبعا در اتصالات بزرگ‌تر بیشتر پدید خواهند آمد. پس هرچه که فولاد ما ریزدانه‌تر باشد، احتمال کمتری وجود دارد که ترک درست شود. بعضی اوقات نیز می‌شود با تغییر درصد آلیاژ یا کاهش کربن فولاد از درست شدن ترک جلوگیری کرد.

مارتنزیت لایه‌ای

حالا ببینیم مارتنزیت لایه‌ای چیست؟ اگر باهوش باشید، می‌دانید که احتمالا باید برعکس حالت قبلی باشد. تصورتان درست است و مارتنزیت لایه‌ای، شامل فولادهای کم کربن یا فولادهای حاوی کربن متوسط خواهد بود.

ابعاد تیغه‌ها نیز برعکس حالت بشقابی، پایین‌تر و کوچک‌تر است. پس توسط میکروسکوپ نوری قابل مشاهده نیستند و باید برای دیدن آنان از میکروسکوپ الکترونی استفاده کنیم.

ریزساختار مارتنزیت در حالت لایه‌ای، به نحوی است که تعداد زیادی لایه مارتنزیتی، موازی با هم قرار گرفته‌اند. این لایه‌های موازی، معمولا اطراف آستینت اولیه تجمع پیدا کرده‌اند. دانشمندان نام هرکدام از این لایه‌ها را بسته مارتنزیتی گذاشته‌اند.

هرچه که درصد کربن را پایین‌تر ببریم، تعداد این بسته‌ها افزایش پیدا می‌کند. اما درعوض، حجم و ابعاد لایه‌های مارتنزیتی کاهش چشمگیری خواهد یافت.

ضمنا مارتنزیت لایه‌ای، معمولا مهم‌تر از مارتنزیت بشقابی است. زیرا معمولا فولادهایی که کربن کم یا متوسط دارند، سختی‌پذیری بالاتری دارند. پس ساختار مارتنزیت لایه‌ای، به دلیل کاربرد وسیع‌تر آن اهمیت بیشتری خواهد یافت.

مارتنزیت مختلط

طبعا همیشه یک حالت سومی از ترکیب دو حالت وجود دارد. مارتنزیت مختلط هم به همین شکل است و از ترکیب مارتنزیت لایه‌ای و مارتنزیت بشقابی پدید می‌آید. فولادهایی با کربن بین شش دهم درصد تا یک درصد، مارتنزیت مختلط درست می‌کنند. بسته به بالا پایین شدن درصد کربن، تناسب بین لایه‌ای یا بشقابی بودن نیز بالا و پایین خواهد شد.

فرآیند تولید مارتنزیت چیست؟

فرآیند تولید مارتنزیت چگونه است؟ پاسخ دادن به این سوال به صورت تئوری خیلی ساده نیست. اما به طور کل، مارتنزیت توسط مکانیزم برشی ایجاد می‌شود. در این مکانیزم، تعداد زیادی از اتم‌ها به صورت یکدفعه‌ای تغییر جا می‌دهند.

نتیجه این جابه‌جایی بالا این است که کرنش زیادی به شبکه وارد خواهد شد. این کرنش بالا باعث می‌شود که معین شود شکل صفحات مارتنزیتی چگونه خواهد بود؟

در هنگام تشکیل صفحات در بلور مارتنزیت، ابتدا صحفات آستینتی اولیه تغییر شکل پلاستیکی می‌دهند. با کج شدن صفحات اولیه، کرنش بالای شبکه و جابه‌جایی اتم‌ها به صورت دسته‌جمعی رخ می‌دهد.

حالا چون در فصل مشترک صفحات آستینتی و مارتنزیتی، تنش بالایی وجود دارد، پس رشد بلورهای مارتنزیتی محدود شده و ادامه تغییر شکل به صورت جوانه‌زنی اتفاق خواهد افتاد.

صفحاتی از بلور آستینتی که بلورهای مارتنزیتی اجازه پیدا می‌کنند رویشان جوانه بزنند، به نام صفحات رابط مشهور هستند. این صفحات خیلی به ترکیب شیمیایی آلیاژ استفاده شده مربوط هستند. بنابراین با تغییر ترکیب، صفحات رابط نیز تغییر خواهند کرد.
در فولادها کلا مارتنزیت و درصد تشکیل آن به درصد کربن بستگی دارد. مشخص است که هرچه درصد کربن بالاتر برود، مقاومت آستینت مقابل تغییر شکل برش نیز بالاتر خواهد رفت. درنتیجه به نیروی محرکه برای تغییر نیز احتیاج بیشتری پیدا می‌کنیم. توجه داشته باشید که در عمل، همیشه مقداری آستینت باقی خواهد ماند که به مارتنزیت تبدیل نمی‌شود. که البته توضیح این مساله مقداری در بندهای بالا داده شد و توضیح تخصصی‌تر در حوزه این مطلب نخواهد گنجید.

کلام آخر

امیدواریم با درک مطلب زیر، به درک بهتری از اینکه مارتنزیت چیست؟ انواع مارتنزیت چیست؟ کاربرد مارتنزیت چه خواهد بود و مارتنزیت به چه دردی می‌خورد؟ و همچنین اینکه مارتنزیت چگونه و در چه فرآیندی تولید می‌شود رسیده باشید. گرچه که مطالعه این مباحث تخصصی، به مشاوره عملی هم نیاز دارد و صرفا در امر تئوری نمی‌گنجد.

سوالات متداول:

1-آیا فولاد مارتنزیتی ضدزنگ است؟

بله. فولاد ضدزنگ مارتنزیتی (به انگلیسی: Martensitic Stainless Steel) فولادی است که زنگ نخواهد زد. این فولاد با آب‌دهی مناطق آستینتی، ساختار مارتنزیتی پیدا کرده است.

2-فولاد مارتنزیتی چه کاربردهایی دارد؟

در بخش‌های بالا به تعدادی از کاربردهای فولاد مارتنزیتی اشاره کردیم. اما جدای از آن‌ها می‌توان به استفاده از مارتنزیت در ابزار بُرنده، اعم از انواع قیچی و چاقو اشاره داشت.

3-آب نگرفتن فولاد یعنی چه؟

اگر درصد کربن در فولاد کمتر از سه دهم درصد باشد، فرآیند مارتنزیت به طور کامل انجام نخواهد شد. یعنی مارتنزیت یا ناقص و یا با سختی پایین و نامطلوب درست خواهد شد. بنابراین اصطلاحا می‌گویند این فولاد آب نمی‌گیرد!