Мартенсит - это пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Мартенсит образуется из сильно переохлажденного аустенита во время полиморфного превращения кристаллической решетки γ-железа (ГКЦ) в кристаллическую решетку α-железа (ОЦК) без выделения углерода из твердого раствора.
Если в равновесном состоянии концентрация углерода в феррите не превышает 0,02 %, то концентрация углерода в мартенсите такая же, как в исходном аустените, и может достигать 2,14 %.
Наиболее просто и наглядно образование мартенсита в стали можно описать схемой Бейна (рис. 1). Атомы углерода мартенсита находятся в октаэдрических порах элементарной ячейки α-железа и сильно деформируют ее. В результате элементарная ячейка мартенсита вместо кубической становится тетрагональной, в которой параметр с больше, чем а. С повышением содержания углерода высота с тетрагональной призмы увеличивается. В то же время увеличивается и соотношение с/а. Превращение аустенита в мартенсит происходит по механизму сдвига, когда атомы железа сдвигаются в пространстве на незначительные (меньшие межатомных) расстояния относительно соседних атомов без перемещения мест. В результате такого сдвига происходит мгновенное γ→α превращение с огромной скоростью (≈103 м/с) роста каждой пластины мартенсита. Следовательно, мартенситное превращение относится к бездиффузионным процессам.

Рис 1 - Процесс образования (а) и элементарная кристаллическая ячейка (б) мартенсита: а, с — параметры ячейки;° — атом железа; • — атом углерода

Кристаллы мартенсита в плоскости шлифа выглядят как параллельные или расположенные под углом 60 и 120° пластины (рис. 2), что объясняется образованием мартенсита лишь в определенных кристаллографических плоскостях. По этим плоскостям кристалл мартенсита, который растет, и кристалл исходного аустенита связаны (когерентны) от латинского соhaeretia (связь).

Рис 2-Игольчатая структура мартенсита

Два кристалла когерентны, если кристаллические решетки связаны в определенной кристаллографической плоскости. Поскольку мартенсит и аустенит имеют разные удельные объемы, то в плоскостях связи возникают напряжения, которые превышают предел текучести. Эти напряжения предопределяют нарушение когерентности и образование межфазовой границы с неупорядоченным расположением атомов. Во время охлаждения аустенит начинает превращаться в мартенсит при определенной начальной температуре М_Н, которая не зависит от скорости охлаждения, в отличие от перлитного превращения. Заканчивается мартенситное превращение при конечной температуре М_К. Таким образом, мартенсит образуется преимущественно в интервале температур М_Н…М_К. Если приостановить охлаждение, то мартенситное превращение остановится.
Кинетику мартенситного превращения в интервале температур М_Н…М_К часто представляют графически мартенситной кривой, построенной в координатах часть мартенсита — температура t (рис. 3). Как видим, со снижением температуры стали часть образованного мартенсита увеличивается, причем не в результате роста кристаллов, а из-за образования новых кристаллов. При конечной температуре мартенситного превращения МK еще остается определенное количество непревращенного аустенита А, который называется остаточный аустенит. Чем ниже температура М_K, тем его больше в закаленной стали. Остаточный аустенит вызывает неоднородность свойств закаленной стали.

Рис 3-Мартенситная кривая

На числовые значения температур М_Н и М_К существенно влияют концентрация углерода в стали и легирующие элементы. Чем больше концентрация углерода, тем ниже интервал температур мартенситного превращения (рис. 4). По концентрации углерода более 0,5 % мартенситное превращение сдвигается в зону отрицательных температур. Все легирующие элементы, за исключением кобальта и алюминия, снижают положение точек М_Н и М_К. Мартенситное превращение, в отличие от перлитного, не имеет инкубационного периода. Образованный мартенсит характеризуется высокой твердостью (до 65 НRС), прочностью и хрупкостью.

Рис 4-Зависимость температуры начала М_Н и конца М_К мартенситного превращения от концентрации углерода в стали