martensitt

Under langsom avkjøling av austenitt omvandles denne til lavtemperaturfasen ferritt som har en romsentrert kubisk krystallstruktur (og som kan avleses i tilstandsdiagrammet for stål). Fordi austenitt har en meget høy løselighet av karbon og ferritt har en meget lav løselighet av karbon, forutsetter denne omvandlingen diffusjon av karbon som fører til utfelling av jernkarbid. Under bråkjøling rekker ikke karbondiffusjonen å skje, og austenitten avkjøles dermed til temperaturer langt under de som ferrittdannelsen skjer ved. Ved en viss temperatur M_s (Martensite start) begynner til slutt austenitten momentant å omvandles til martensitt ved skjærbevegelser i austenittens atomstruktur. Omvandlingen starter ved austenittkorngrensene, og martensitten vokser ut fra disse som nåler/staver hvis karboninnholdet er mindre enn 0,6 vektprosent og som plater hvis karboninnholdet er over denne grensen. Fortsatt omvandling er avhengig av at avkjølingen fortsetter og fullføres ved en lavere temperatur M_f (Martensite finish). Temperaturene M_s og M_f er gitt av stålets kjemiske sammensetning og er uavhengig av avkjølingshastigheten (forutsatt at denne er høy nok til å undertrykke karbondiffusjon).

Martensittens krystallstruktur ligner ferrittens krystallstruktur, men fordi karbonatomene som er løst i austenittgitteret forblir på sine plasser under omvandlingen, deformerer de martensittgitteret slik at enhetscellen blir tetragonal med noe avvikende akselengder fra den kubiske enhetscellen til ferritt, se figur til høyre. Akseforholdet, c/a, øker fra 1,00 i karbonfri martensitt (ferritt) til ca. 1,07 i martensitt med omkring 1,5 prosent karbon.

Martensitt er den hardeste mikrostrukturen i stål. Hardheten og sprøheten øker sterkt med stigende karboninnhold. Hovedårsaken til dette er at karbonatomene, som er «tvangsløst» i martensittgitteret, setter opp elastiske spenninger som hindrer den dislokasjonsbevegelsen som er nødvendig for plastisk deformasjon. I tillegg gir en stor tetthet av dislokasjoner og grenseflater i martensitten et visst hardhetsbidrag. Ved en varmebehandling som kalles anløping, vil både hardheten og sprøheten til martensitten avta. Det tvangsløste karbonet vil da helt eller delvis felles ut som karbidpartikler.

Herding av stål er knyttet til dannelse av martensitt, og eksempler på martensittiske stål er:

• Seigherdingsstål inneholder vanligvis mellom 0,25 og 0,50 prosent karbon, og benyttes i maskindeler som akslinger, veivstenger, stempelstenger og tannhjul. Stålene anløpes ved en relativt høy temperatur slik at de oppnår en høy seighet som gjør at de tåler slagpåkjenninger.
• Verktøystål inneholder fra 0,5 og opp mot 2,0 prosent karbon, og benyttes til verktøy og redskaper. Det høye karboninnholdet gir stor hardhet og slitestyrke. Verktøystål kan inneholde høye konsentrasjoner av legeringselementer for å oppnå gjennomherding og spesielle egenskaper (for eksempel varmebestandighet), og stålene anløpes til nødvendig seighet.
• Settherdingsstål er lavkarbonstål som oppnår en høy overflatehardhet gjennom høytemperatur oppkulling av overflaten (~0,9 vektprosent karbon), etterfulgt av bråkjøling og lett anløping. Kjernen er ikke herdbar og forblir seig og slagfast. Slike stål benyttes i produkter som utsettes for høy slitasje (metall mot metall) eller utmatting.
• Mange fjærstål er martensittiske.

Omvandlingen til martensitt skjer ved en mekanisme som er mer karakteristisk enn egenskapene til omvandlingsproduktet. Begrepet martensittomvandling brukes derfor også om tilsvarende spontane skjærtransformasjoner i andre systemer enn stål, for eksempel i legeringer av titan og mangan der omvandlingen ikke er ledsaget av en tilsvarende stor økning i hardhet.

• stål
• austenitt
• herdbarhet
• anløping av stål
• seigherding
• settherding
• mikrolegerte martensittstål
• varmebehandling
• metallografi