Мартенсит является упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в a — железе.

Если в равновесном состоянии растворимость углерода в a-Fe при 20 ⁰С 0,006 %, то его содержание в мартенсите может быть таким же, как в исходном аустените, т.е. может достигать 2,14 %.

Избыток углерода сильно искажает кристаллическую решетку и из кубической она становится тетрагональной (рисунок 35).

С увеличением содержания углерода степень тетрагональности решетки (с/а) повышается. Отношение с/а = 1 + 0,046С, где С — концентрация углерода в аустените, процент по массе. Мартенситное превращение протекает только в том случае, если быстрым охлаждением аустенит переохлажден до низких температур, при которых диффузионные процессы становятся невозможными.

Мартенситное превращение осуществляется путем сдвига и не сопровождается изменением состава твердого раствора. Отдельные атомы смещаются относительно друг друга на расстояния, не превышающие межатомные, сохраняя взаимное соседство. В процессе роста мартенситного кристалла вследствие разности удельных объемов аустенита и мартенсита увеличиваются упругие напряжения, что приводит к пластической деформации и образованию межфазной границы с неупорядоченным расположением атомов. Диффузионный переход атомов из кристаллов аустенита в мартенсит при низких температурах невозможен. При переохлаждении до температуры, соответствующей точке Мн, аустенит начинает превращаться в мартенсит.

Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать сталь ниже температуры Мк. Если охлаждение прекратить, то мартенситное превращение также остановится. Чем ниже температура, тем больше образуется мартенсита. Положение точек Мн и Мк не зависят от скорости охлаждения и обусловлено химическим составом аустенита.

Чем больше в аустените углерода, тем ниже температура точек Мн и Мк. Все легирующие элементы, растворенные в аустените, за исключением кобальта и алюминия, понижают точки Мн и Мк.

Рисунок 35 – Кристаллическаярешетка мартенсита

Мартенситное превращение очень чувствительно к напряжениям, а деформация аустенита может вызывать превращение даже при температурах выше Мн (мартенсит деформации).

В сталях, имеющих температуру Мк ниже комнатной (содержание углерода свыше 0,4…0,5 %), присутствует остаточный аустенит. Его количество тем больше, чем ниже точки Мн и Мк. Остаточный аустенит понижает твердость, износостойкость и нередко приводит к изменению размеров деталей, работающих при низких температурах в результате самопроизвольного превращения его в мартенсит. Для устранения остаточного аустенита закаленную сталь подвергают обработке холодом, т.е. охлаждают ниже точки Мк до минус 30 ⁰С… минус 60 ⁰С.

Характерной особенностью мартенсита являются его высокая твердость и прочность. Твердость мартенсита возрастает с увеличением в нем содержания углерода. В стали с 0,6…0,7 % С твердость мартенсита составляет 65 HRС, что во много раз больше твердости феррита, а временное сопротивление достигает 2600…2700 МПа.

Однако с повышением в мартенсите содержания углерода возрастает склонность его к хрупкому разрушению, понижается сопротивление зарождению трещины. Твердость (прочность) мартенсита обязана образованию пересыщенного углеродом твердого раствора, высокой плотности дислокаций (10¹⁰…10¹² см^-2) и большому числу различного рода границ и субграниц, затрудняющих движение дислокаций. Хрупкость мартенсита связана с образованием атмосфер из атомов углерода на дефектах строения.

Мартенсит по сравнению с другими структурными составляющими стали, и особенно с аустенитом, имеет наибольший удельный объем. Удельный объем аустенита при содержании 0,2….0,4 % С составляет 0,12227…0,12528 см³/г, а мартенсита 0,12708…0,13061 см³/г.

Увеличение удельного объема при образовании мартенсита является одной из основных причин возникновения при закалке больших внутренних напряжений, вызывающих деформацию изделий или даже появление трещин.