Martensita este o structură metastabilă foarte dură, cu o structură cristalină tetragonală centrată pe corp (BCT). Martensita se formează în oțeluri atunci când viteza de răcire de la austenită este la o rată atât de mare încât atomii de carbon nu au timp să se difuzeze în afara structurii cristaline în cantități suficient de mari pentru a forma cementită (Fe3C). Prin urmare, este un produs al transformării fără difuzie. Orice fel de difuzie duce la formarea fazelor de ferită și cementită. Își trage numele de la metalurgistul german Adolf Martens (1850-1914).

Spre deosebire de descompunerea izotermă a constituenților de fază prin difuzie, martensita nu este o fază asociată cu echilibrul termic. Astfel, ea nu apare pe diagrama de faze de echilibru fier-carbon. Poate fi considerat ca un produs de transformare care concurează cu perlita și bainita.

Microstructura martensitei din oțeluri are morfologii diferite și poate apărea fie ca martensită în laturi, fie ca martensită în plăci. Pentru oțelurile cu 0-0,6% carbon martensita are aspectul de strungă și se numește martensită de strungă. În cazul oțelului mai mare de 1% carbon, aceasta va forma o structură asemănătoare unei plăci, numită martensită în plăci. Martensita în plăci, după cum indică și numele, se formează sub formă de cristale lenticulare (în formă de lentilă) cu un model în zigzag de plăci mai mici. Între aceste două procente, aspectul fizic al granulelor este un amestec al celor două. Rezistența martensitei se reduce pe măsură ce crește cantitatea de austenită reținută.

Transformare martensitică

Încălzirea prin transformare, cunoscută și sub denumirea de călire prin transformare martensitică, este una dintre cele mai comune metode de călire, care este folosită în principal pentru oțeluri (adică oțeluri cu carbon, precum și oțeluri inoxidabile). Cu toate acestea, transformarea martensitică nu este, totuși, unică pentru aliajele fier-carbon. Ea se regăsește și în alte sisteme și se caracterizează, în parte, prin transformarea fără difuzie.

Oțelurile martensitice utilizează în mod predominant niveluri mai ridicate de C și Mn împreună cu tratamentul termic pentru a crește rezistența. Produsul finit va avea o microstructură duplex de ferită cu niveluri variabile de martensită degenerată. Acest lucru permite obținerea unor niveluri diferite de rezistență. În metalurgie, călirea este cel mai frecvent utilizată pentru a întări oțelul prin introducerea martensitei. Există un echilibru între duritate și tenacitate în orice oțel; cu cât oțelul este mai dur, cu atât este mai puțin dur sau rezistent la impact, iar cu cât este mai rezistent la impact, cu atât este mai puțin dur.

Martensita este produsă din austenită ca urmare a călirii, sau a unei alte forme de răcire rapidă. Austenita în aliajele fier-carbon este, în general, prezentă doar peste temperatura critică eutectoidă (723°C) și sub 1500°C, în funcție de conținutul de carbon. În cazul unor viteze normale de răcire, pe măsură ce austenita se răcește, carbonul difuzează din austenită și formează carbură de fier bogată în carbon (cementită) și lasă în urmă ferită săracă în carbon. În funcție de compoziția aliajului, se poate forma o stratificare de ferită și cementită, numită perlit. Dar, în cazul unei răciri rapide, carbonul nu are timp suficient să se difuzeze și se transformă într-o formă tetragonală centrată pe corp foarte deformată, numită martensită, care este suprasaturată cu carbon. Toți atomii de carbon rămân ca impurități interstițiale în martensită. Viteza de răcire determină proporțiile relative de martensită, ferită și cementită și, prin urmare, determină și proprietățile mecanice ale oțelului rezultat, cum ar fi duritatea, rezistența la tracțiune și tenacitatea.

Martensită călită

Capacitatea relativă a unui aliaj feros de a forma martensită se numește capacitate de călire. Capacitatea de călire se măsoară în mod obișnuit ca fiind distanța sub o suprafață călită la care metalul prezintă o duritate specifică de 50 HRC, de exemplu, sau un anumit procent de martensită în microstructură. Cea mai mare duritate a unui oțel perlitic este de 43 HRC, în timp ce martensita poate atinge 72 HRC. Martensita proaspătă este foarte fragilă dacă conținutul de carbon este mai mare de aproximativ 0,2 până la 0,3%. Este atât de fragilă încât nu poate fi utilizată pentru majoritatea aplicațiilor. Această fragilitate poate fi eliminată (cu o anumită pierdere de duritate) dacă oțelul călit este încălzit ușor într-un proces cunoscut sub numele de revenire. Revenirea se realizează prin încălzirea unui oțel martensitic la o temperatură sub cea a eutectoidului pentru o perioadă de timp specificată (de exemplu, între 250°C și 650°C ).

Acest tratament termic de revenire permite, prin procese de difuzie, formarea de martensită călită, conform reacției:

martensită (BCT, monofazică) → martensită călită (ferită + faze Fe3C)

în care martensita monofazică BCT, suprasaturată cu carbon, se transformă în martensită călită, compusă din fazele stabile de ferită și cementită. Microstructura sa este similară microstructurii sferoiditei, dar în acest caz martensita temperată conține particule de cementită extrem de mici și uniform dispersate încorporate într-o matrice continuă de ferită. Martensita călită poate fi aproape la fel de dură și de rezistentă ca și martensita, dar cu o ductilitate și o tenacitate substanțial îmbunătățite.

Oțel inoxidabil martensitic

Oțelurile inoxidabile martensitice sunt similare cu oțelurile feritice prin faptul că sunt bazate pe crom, dar au niveluri mai ridicate de carbon, până la 1%. Ele sunt uneori clasificate ca oțeluri inoxidabile martensitice cu conținut scăzut de carbon și cu conținut ridicat de carbon. Acestea conțin între 12 și 14% crom, între 0,2 și 1% molibden și nicio cantitate semnificativă de nichel. Cantitățile mai mari de carbon le permit să fie călite și temperate la fel ca oțelurile cu carbon și oțelurile slab aliate. Au o rezistență moderată la coroziune, dar sunt considerați duri, puternici, ușor casante. Sunt magnetici și pot fi testați nedistructiv prin metoda de inspecție cu particule magnetice, spre deosebire de oțelul inoxidabil austenitic. Un oțel inoxidabil martensitic comun este AISI 440C, care conține 16 până la 18% crom și 0,95 până la 1,2% carbon. Oțelul inoxidabil de gradul 440C este utilizat în următoarele aplicații: blocuri de calibrare, tacâmuri, rulmenți cu bile și curse, matrițe și matrițe, cuțite.

Cum s-a scris, oțelurile inoxidabile martensitice pot fi călite și temperate prin mai multe moduri de îmbătrânire/tratament termic: Mecanismele metalurgice responsabile pentru transformările martensitice care au loc în aceste aliaje inoxidabile în timpul austenitizării și călirii sunt, în esență, aceleași cu cele care sunt folosite pentru călirea oțelurilor cu conținut mai scăzut de aliaj de carbon și a oțelurilor aliate. Tratamentul termic implică, de obicei, trei etape:

• Austenitizarea, în care oțelul este încălzit la o temperatură cuprinsă între 980 și 1050 °C, în funcție de calitate. Austenita este o fază cubică centrată pe față.
• Căldura. După austenitizare, oțelurile trebuie să fie călite. Aliajele inoxidabile martensitice pot fi călite folosind aer liniștit, vid cu presiune pozitivă sau călire în ulei întreruptă. Austenita se transformă în martensită, o structură cristalină dură tetragonală centrată pe corp. Martensita este foarte dură și prea fragilă pentru majoritatea aplicațiilor.
• Tempere, adică încălzirea la aproximativ 500 °C, menținerea la temperatură, apoi răcirea cu aer. Creșterea temperaturii de revenire scade limita de curgere și rezistența la rupere la tracțiune, dar crește alungirea și rezistența la impact.

Rezistența oțelurilor inoxidabile la efectele chimice ale agenților corozivi se bazează pe pasivizare. Pentru ca pasivarea să se producă și să rămână stabilă, aliajul Fe-Cr trebuie să aibă un conținut minim de crom de aproximativ 10,5% în greutate, peste care pasivitatea poate apărea și sub care este imposibilă. Cromul poate fi utilizat ca element de călire și este frecvent utilizat împreună cu un element de călire, cum ar fi nichelul, pentru a produce proprietăți mecanice superioare.

Rezistența ultimă la tracțiune

Rezistența ultimă la tracțiune a oțelului inoxidabil martensitic – clasa 440C este de 760 MPa.

Duritate

Duritatea Brinell a oțelului inoxidabil martensitic – gradul 440C este de aproximativ 270 MPa.

Alte faze comune în oțeluri și fieruri

Tratarea termică a oțelurilor necesită o înțelegere atât a fazelor de echilibru, cât și a fazelor metastabile care apar în timpul încălzirii și/sau răcirii. Pentru oțeluri, fazele stabile de echilibru includ:

• Ferită. Ferita sau α-ferita este o fază a fierului cu structură cubică centrată pe corp care există sub temperaturi de 912°C pentru concentrații scăzute de carbon în fier. α-ferita se poate dizolva doar până la 0,02% de carbon la 727°C. Acest lucru se datorează configurației rețelei de fier care formează o structură cristalină BCC. Faza primară a oțelului cu conținut scăzut de carbon sau a oțelului moale și a majorității fontelor la temperatura camerei este feromagnetică α-Fe.
• Austenită. Austenita, cunoscută și sub denumirea de fier în fază gamma (γ-Fe), este o fază nemagnetică a fierului cu structură cubică cu fețe centrate nemagnetică. Austenita în aliajele fier-carbon este în general prezentă numai peste temperatura critică eutectoidă (723°C) și sub 1500°C, în funcție de conținutul de carbon. Cu toate acestea, poate fi reținută până la temperatura camerei prin adaosuri de aliaj, cum ar fi nichel sau mangan. Carbonul joacă un rol important în tratamentul termic, deoarece extinde intervalul de temperatură de stabilitate a austenitei. Un conținut mai mare de carbon scade temperatura necesară pentru a austenitiza oțelul – astfel încât atomii de fier se rearanjează pentru a forma o structură de rețea fcc. Austenita este prezentă în cel mai frecvent utilizat tip de oțeluri inoxidabile, care sunt foarte bine cunoscute pentru rezistența lor la coroziune.
• Grafit. Adăugarea unei cantități mici de carbon nemetalic la fier schimbă ductilitatea mare a acestuia cu o rezistență mai mare.
• Cementită. Cementita (Fe3C) este un compus metastabil și, în anumite circumstanțe, poate fi făcută să se disocieze sau să se descompună pentru a forma α-ferită și grafit, în funcție de reacție: Fe3C → 3Fe (α) + C (grafit). Cementita în forma sa pură este o ceramică și este dură și fragilă, ceea ce o face potrivită pentru consolidarea oțelurilor. Proprietățile sale mecanice sunt în funcție de microstructura sa, care depinde de modul în care este amestecată cu ferită.

Fazele metastabile sunt:

• Pearlită. În metalurgie, perlita este o structură metalică stratificată cu două faze, care se compune din straturi alternante de ferită (87,5% în greutate) și cementită (12,5% în greutate), care apare în unele oțeluri și fonturi. Este denumită astfel datorită asemănării sale cu mama perlei.
• Martensită. Martensita este o structură metastabilă foarte dură, cu o structură cristalină tetragonală centrată pe corp (BCT). Martensita se formează în oțeluri atunci când viteza de răcire de la austenită este atât de mare încât atomii de carbon nu au timp să se difuzeze din structura cristalină în cantități suficient de mari pentru a forma cementită (Fe3C).
• Bainită. Bainita este o microstructură asemănătoare unei plăci care se formează în oțeluri din austenită atunci când ratele de răcire nu sunt suficient de rapide
  pentru a produce martensită, dar sunt totuși suficient de rapide pentru ca carbonul să nu aibă suficient timp să se difuzeze pentru a forma perlita. Oțelurile bainitice sunt, în general, mai rezistente și mai dure decât oțelurile perlitice; totuși, ele prezintă o combinație dezirabilă de rezistență și ductilitate.

.