Martensite

La martensite è un tipo di microstruttura che si forma nei metalli e nelle leghe durante il processo di tempra ad alte temperature. La martensite è una soluzione solida soprassatura di carbonio in ferrite con una struttura tetragonale a corpo centrato. Il termine martensite fu introdotto nel 1895 dall’ingegnere francese Floris Osmond in onore al metallurgista tedesco Adolf Martens pioniere dell’ingegneria dei materiali.

In origine il termine martensite veniva utilizzato per descrivere la fase dura presente negli acciai temprati ma oggigiorno, è stato esteso per designare qualsiasi prodotto privo di diffusione durante il raffreddamento o la deformazione, ad esempio, in metalli ferrosi, non ferrosi, ceramiche e minerali. L’acciaio inossidabile martensitico è un tipo di acciaio inossidabile è composto principalmente dal 12-18% di cromo e dallo 0.1-1.2% di carbonio e può essere temprato e rinforzato tramite trattamento termico per prestazioni migliorate, ma la sua resistenza alla corrosione è generalmente inferiore a quella dell’acciaio inossidabile austenitico.

La martensite che ha forma aciculare ed è molto dura e fragile si forma durante la tempra dell’austenite a velocità di raffreddamento così elevate che il carbonio non ha tempo per diffondersi dal reticolo. Durante il riscaldamento ad alte temperature fino a 720°C e con tempi di ricottura prolungati fino a 10 ore, la martensite alla fine passerà a ferrite.

Formazione della martensite

La trasformazione martensitica è una trasformazione di fase nello stato solido che determina un cambiamento nella struttura cristallina senza alterare la composizione chimica. È caratterizzata da un movimento altamente organizzato di atomi che può essere influenzata da fattori quali dislocazioni e soluti sostituzionali.

La cinetica della trasformazione dell’austenite può essere rappresentata in un diagramma di trasformazione tempo-temperatura detto diagramma TTT acronimo di Time Temperature Transformation. Il diagramma TTT mostra il punto di partenza e il punto di arrivo della trasformazione dell’austenite che comporta la decomposizione dell’austenite e la formazione della martensite. Nel diagramma la temperatura viene posta in ordinata e il tempo sull’asse delle ascisse.

Per definizione, il punto di partenza e il punto di arrivo della decomposizione sono definiti rispettivamente all’1 e al 99% di conversione. La forma del diagramma TTT e il punto di martensite M_s che corrisponde al punto di partenza della formazione della martensite dipendono dal contenuto di carbonio. La temperatura M_s dipende dalla composizione dell’austenite: man mano che il contenuto di carbonio aumenta, M_s si sposta verso temperature più basse.

Aggiungendo elementi come manganese o nichel il punto M_s può essere ridotto al di sotto della temperatura ambiente. In tali leghe il contenuto di austenite è più o meno completamente preservato dopo un raffreddamento estremamente brusco a temperatura ambiente. Man mano che il sottoraffreddamento aumenta al di sotto del punto di perlite, la tendenza alla trasformazione diminuisce. Allo stesso tempo, la velocità di formazione del nucleo aumenta e la velocità di crescita dei nuclei diminuisce e ciò si traduce nella tipica forma a C della curva di decomposizione nel diagramma TTT.

Acciai martensinici

La martensite negli acciai è utilizzata per lavorare e supportare carichi meccanici. Le applicazioni spaziano dagli antichi utensili manuali e dalle spade elegantemente lavorati alle attuali parti ad alta resistenza, ad alta resistenza alla fatica e all’usura per macchine, utensili e stampi, trasmissione di potenza, ingranaggi e alberi e strutture portanti impegnative come i carrelli di atterraggio degli aerei.

Le microstrutture temprate negli acciai richiedono la generazione della fase madre austenite, la formazione di cristalli di martensite mediante trasformazione martensitica e la regolazione della resistenza e della tenacità finali mediante tempra. Le configurazioni atomiche essenziali non cambiano nel tempo, ma le combinazioni di fasi, morfologie cristalline e sottostrutture cristalline negli acciai temprati sono infinite e le tecniche di lavorazione per produrre microstrutture ottimizzate si evolvono continuamente, con l’indurimento superficiale mediante induzione, plasma e laser che sono le innovazioni più recenti.

Acciai inossidabili martensitici

Gli acciai inossidabili martensitici sono un gruppo specifico di acciai inossidabili che possono essere temprati tramite metodi come l’invecchiamento e il trattamento termico. Hanno la struttura metallurgica della martensite che si ottiene quando la lega viene riscaldata oltre la temperatura critica di 870 °C e raffreddata rapidamente. Gli acciai martensitici sono classificati in due categorie.

Alla prima categoria appartengono gli acciai che utilizzano la trasformazione della martensite come meccanismo di rafforzamento e comprende acciai per utensili e acciai bassolegati in cui nessun elemento, ad eccezione di ferro e carbonio, si trovano in misura maggiore del 5%. Alla seconda categoria appartengono gli acciai maraging dotati di eccezionali caratteristiche meccaniche, ottima tenacità, importante durezza, buona lavorabilità e facilità del trattamento termico di invecchiamento e acciai indurenti per precipitazione.

Questi ultimi possono essere sottoposti ad un trattamento termico di invecchiamento che porta ad avere una precipitazione di composti intermetallici nel reticolo cristallino dell’acciaio che permette di avere un miglioramento delle caratteristiche meccaniche, in particolare della tenacità.

Gli acciai inossidabili martensitici contengono il 12-18% di Cr e un alto contenuto di carbonio e hanno una resistenza e una durezza molto elevate, sono ferromagnetici e sono caratterizzati da una scarsa resistenza alla corrosione, proprietà che può essere migliorata per aggiunta di una piccola quantità di nichel. Il nichel aumenta anche la tenacità dell’acciaio martensitico mentre il vanadio e il tungsteno, grazie alla formazione dei rispettivi carburi ne aumenta la resistenza alle alte temperature.

A causa della trasformazione di fase da cubica a corpo centrato a tetragonale a corpo centrato possono subire il processo di tempra, trattamento termico atto ad aumentarne le proprietà meccaniche, come carico di rottura, carico di snervamento e durezza. Gli acciai martensitici, costituiti da una matrice ricca di martensite con quantità minori di bainite e/o ferrite, sono prodotti mediante tempra a velocità molto elevate dalla regione austenite-ferrite e sono molto utili nelle applicazioni automobilistiche per travi delle portiere, paraurti, elementi laterali inferiori molto leggeri e ad alta resistenza.

Gli acciai ad alta resistenza avanzati (AHSS) sviluppati e commercializzati nell’ultimo decennio sono progettati per aiutare le aziende automobilistiche a soddisfare i requisiti di leggerezza senza compromettere i requisiti di sicurezza degli occupanti. La maggior parte degli AHSS si basa su microstrutture multifase, così, ad esempio, gli acciai a doppia fase (DP) hanno microstrutture contenenti martensite e ferrite.

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