Martensite: Sự hình thành, cấu trúc vi mô và tác động đến tính chất của thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Martensite là pha vi cấu trúc siêu bão hòa, siêu bền được hình thành trong thép và các hợp kim khác thông qua quá trình làm nguội nhanh hoặc làm nguội từ trường pha austenit. Nó được đặc trưng bởi cấu trúc vi mô dạng kim hoặc dạng tấm bị biến dạng cao, mang lại độ cứng và độ bền đặc biệt cho vật liệu.

Ở cấp độ nguyên tử, martensite là kết quả của quá trình biến đổi cắt không khuếch tán của austenite lập phương tâm mặt (FCC) thành cấu trúc tứ giác tâm khối (BCT) hoặc lập phương tâm khối (BCC). Quá trình biến đổi này liên quan đến chuyển động tập thể, có sự phối hợp của các nguyên tử, bảo toàn thành phần tổng thể nhưng làm thay đổi đáng kể mạng tinh thể.

Trong luyện kim thép, martensite là thành phần cơ bản vì nó cung cấp phương tiện để đạt được độ bền và độ cứng cao thông qua xử lý nhiệt có kiểm soát. Sự hình thành và chế tác của nó đóng vai trò trung tâm trong quá trình phát triển các loại thép cường độ cao tiên tiến, các công cụ chống mài mòn và các thành phần cấu trúc đòi hỏi các đặc tính cơ học phù hợp.

Bản chất vật lý và đặc điểm

Cấu trúc tinh thể

Martensite trong thép chủ yếu sử dụng cấu trúc tinh thể tứ phương tâm khối (BCT), là dạng méo của mạng BCC. Sự biến đổi từ austenit FCC liên quan đến cơ chế cắt dẫn đến sự méo mạng được đặc trưng bởi tỷ lệ tứ phương (c/a) thường nằm trong khoảng từ 1,00 (BCC) đến khoảng 1,02–1,05, tùy thuộc vào hàm lượng cacbon.

Sự sắp xếp nguyên tử có đặc điểm là mạng lưới dày đặc, đóng gói chặt chẽ với các nguyên tử được sắp xếp theo cấu hình BCT, khác với cấu trúc FCC của austenite gốc. Sự biến đổi liên quan đến mối quan hệ định hướng cụ thể, thường là mối quan hệ Kurdjumov–Sachs hoặc Nishiyama–Wassermann, liên kết định hướng của martensite với định hướng của austenite gốc.

Về mặt tinh thể học, quá trình biến đổi martensitic được đặc trưng bởi quá trình không khuếch tán, chủ yếu là cắt, bảo toàn thành phần tổng thể nhưng tạo ra cấu trúc vi mô có độ căng cao, song tinh bên trong. Các mối quan hệ định hướng này tạo điều kiện cho các đặc điểm tinh thể học có thể dự đoán được và ảnh hưởng đến hành vi cơ học tiếp theo.

Đặc điểm hình thái

Martensite biểu hiện dưới dạng vi cấu trúc hình kim (giống kim) hoặc dạng tấm mịn trong ma trận thép. Kích thước của từng tấm hoặc thanh martensitic thường có độ dày từ 0,1 đến 2 micromet, với chiều dài kéo dài tới vài micromet, tùy thuộc vào tốc độ làm nguội và thành phần hợp kim.

Trong cấu trúc vi mô, martensite xuất hiện dưới dạng các vùng tối, kéo dài dưới kính hiển vi quang học sau khi khắc thích hợp, thường tạo thành hình dạng thanh hoặc tấm đặc trưng. Sự phân bố có thể đồng nhất hoặc tập trung ở các vùng cụ thể, đặc biệt là trong thép tôi hoặc thép biến dạng một phần.

Các cấu trúc vi mô martensitic ba chiều thường biểu hiện một mạng lưới phức tạp gồm các tấm hoặc thanh giao nhau, với mật độ lệch vị trí cao và biến dạng bên trong. Hình thái ảnh hưởng đến các đặc tính như độ dai, độ dẻo và phân bố ứng suất dư.

Tính chất vật lý

Martensite có độ cứng đặc biệt, thường vượt quá 600 HV (độ cứng Vickers), do mạng BCT bị biến dạng và mật độ trật khớp cao. Mật độ của nó cao hơn một chút so với ferit hoặc peclit, thường vào khoảng 7,8 g/cm³, do sự đóng gói nguyên tử dày đặc và các nguyên tử cacbon chiếm các vị trí xen kẽ.

Về mặt từ tính, martensite có tính sắt từ mạnh, tương tự như ferrite, khiến nó có thể phát hiện được thông qua các phương pháp thử từ tính. Độ dẫn điện của nó tương đối thấp so với các pha mềm hơn, do mật độ khuyết tật cao và sự phân tán tạp chất.

Về mặt nhiệt, martensite có hệ số giãn nở nhiệt cao và độ dẫn nhiệt tương đối thấp so với ferit hoặc cementit. Những đặc tính này ảnh hưởng đến phản ứng xử lý nhiệt và sự phát triển ứng suất dư.

So với các cấu trúc vi mô khác như perlite hoặc bainit, độ cứng và độ bền cao của martensit bị bù trừ bởi độ giòn và độ dẻo thấp, đòi hỏi phải tôi luyện hoặc các quy trình xử lý sau khác để tối ưu hóa hiệu suất.

Cơ chế hình thành và động học

Cơ sở nhiệt động lực học

Sự hình thành martensite được điều chỉnh bởi tính ổn định nhiệt động của pha austenite so với martensite. Ở nhiệt độ cao, austenite ổn định, nhưng làm nguội nhanh làm dịch chuyển cân bằng pha, ngăn chặn các chuyển đổi được kiểm soát bởi khuếch tán và tạo điều kiện cho chuyển đổi cắt không khuếch tán.

Sự chênh lệch năng lượng tự do (ΔG) giữa austenite và martensite quyết định động lực cho quá trình biến đổi. Khi quá trình hạ nhiệt độ dưới nhiệt độ bắt đầu martensite (Ms) vượt quá ngưỡng tới hạn, quá trình biến đổi trở nên thuận lợi về mặt nhiệt động lực học.

Biểu đồ pha, đặc biệt là biểu đồ pha nhị phân Fe–C, mô tả phạm vi nhiệt độ và thành phần nơi có thể hình thành martensite. Nhiệt độ bắt đầu martensite (Ms) và kết thúc (Mf) xác định cửa sổ động học cho quá trình biến đổi trong quá trình làm nguội.

Động học hình thành

Động học của quá trình hình thành martensit được đặc trưng bởi sự biến đổi nhanh chóng, chủ yếu là cắt, xảy ra trong vòng vài mili giây đến vài giây, tùy thuộc vào tốc độ làm nguội và thành phần hợp kim. Quá trình này bao gồm sự hình thành các biến thể martensit tại các vị trí thuận lợi, chẳng hạn như ranh giới hạt hoặc vị trí sai lệch, sau đó là sự phát triển nhanh chóng.

Sự hình thành hạt nhân thường đồng nhất hoặc không đồng nhất, với tốc độ chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, cấu trúc vi mô trước đó và các nguyên tố hợp kim. Sự phát triển diễn ra thông qua cơ chế cắt, với các lớp nguyên tử dịch chuyển tập thể để tạo ra mạng BCT.

Bước kiểm soát tốc độ thường là quá trình hình thành hạt nhân, với các rào cản năng lượng hoạt hóa liên quan đến quá trình biến đổi cắt. Tốc độ biến đổi tăng lên khi hạ nhiệt độ xuống dưới Ms lớn hơn, dẫn đến các cấu trúc vi mô mịn hơn.

Các yếu tố ảnh hưởng

Các nguyên tố hợp kim như cacbon, mangan, niken và crom ảnh hưởng đáng kể đến sự hình thành martensite. Cacbon ổn định martensite, nâng cao nhiệt độ Ms và Mf, do đó thúc đẩy sự hình thành dễ dàng hơn ở tốc độ làm mát cao hơn.

Các thông số xử lý như tốc độ làm nguội là rất quan trọng; làm nguội nhanh từ nhiệt độ austenit hóa là điều cần thiết để ngăn chặn sự khuếch tán và thúc đẩy quá trình chuyển đổi martensitic. Làm nguội chậm hơn cho phép hình thành các cấu trúc vi mô khác như pearlite hoặc bainite, ức chế martensitic.

Các cấu trúc vi mô tồn tại trước, chẳng hạn như kích thước hạt austenit trước đó và sự hiện diện của austenit giữ lại, cũng ảnh hưởng đến quá trình hình thành và phát triển của martensit, tác động đến hình thái và sự phân bố của nó.

Mô hình toán học và mối quan hệ định lượng

Các phương trình chính

Tỷ lệ martensit hình thành trong quá trình tôi có thể được ước tính bằng phương trình Koistinen–Marburger:

[ f_M = 1 - \exp$$-\alpha (M_s - T)$$ ]

Ở đâu:

• ( f_M ) = phần thể tích của martensit,
• ( \alpha ) = hằng số vật liệu cụ thể (~0,011 đối với thép),
• $M_s$ = nhiệt độ bắt đầu của martensit,
• ( T ) = nhiệt độ trong quá trình làm mát.

Phương trình này giả định có mối quan hệ tuyến tính giữa quá trình làm mát dưới Ms và lượng martensit hình thành, áp dụng cho điều kiện làm mát nhanh.

Nhiệt độ Ms có thể được ước tính gần đúng dựa trên thành phần hóa học bằng cách sử dụng các công thức thực nghiệm, chẳng hạn như:

[ M_s (°C) = 539 - 423C - 30,4Mn - 17,7Ni - 12,1Cr - 7,5Mo ]

trong đó nồng độ được tính theo phần trăm khối lượng.

Mô hình dự đoán

Các mô hình tính toán, bao gồm mô phỏng trường pha và tính toán nhiệt động lực học dựa trên CALPHAD, dự đoán sự tiến hóa của cấu trúc vi mô trong quá trình làm nguội. Các mô hình này kết hợp dữ liệu nhiệt động lực học, thông số động học và cơ chế biến đổi cắt để mô phỏng quá trình hình thành và phát triển của martensite.

Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) kết hợp với các mô hình vi cấu trúc cho phép dự đoán ứng suất dư, biến dạng và độ dốc tính chất do biến đổi martensitic gây ra.

Các hạn chế bao gồm các giả định về làm mát đồng đều và các cấu trúc vi mô lý tưởng, có thể không nắm bắt đầy đủ các điều kiện công nghiệp phức tạp. Độ chính xác của mô hình phụ thuộc vào dữ liệu đầu vào chính xác và hiệu chuẩn so với kết quả thử nghiệm.

Phương pháp phân tích định lượng

Kim loại học định lượng sử dụng phần mềm phân tích hình ảnh để đo phần khối lượng martensite, kích thước thanh và phân bố. Các kỹ thuật bao gồm kính hiển vi quang học với ngưỡng hình ảnh, kính hiển vi điện tử quét (SEM) và nhiễu xạ tán xạ ngược điện tử (EBSD).

Phân tích thống kê bao gồm việc đo nhiều đặc điểm vi cấu trúc trên các khu vực đại diện để xác định giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và biểu đồ phân phối. Xử lý hình ảnh kỹ thuật số nâng cao độ chính xác và khả năng lặp lại của phép đo.

Các phương pháp tiên tiến, chẳng hạn như chụp cắt lớp 3D hoặc lập bản đồ EBSD tự động, cung cấp đặc điểm không gian chi tiết, cho phép tương quan giữa cấu trúc vi mô và tính chất cơ học.

Kỹ thuật đặc trưng

Phương pháp kính hiển vi

Kính hiển vi quang học, sau khi khắc thích hợp (ví dụ, Nital hoặc Picral), cho thấy hình thái giống như kim hoặc thanh đặc trưng của martensite. Mật độ lệch vị trí cao và độ tương phản ứng suất bên trong có thể nhìn thấy dưới ánh sáng phân cực.

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) cung cấp hình ảnh có độ phân giải cao hơn của các tấm martensitic, cho phép phân tích chi tiết về hình thái, kích thước và phân bố. Chuẩn bị mẫu bao gồm đánh bóng và khắc để lộ các đặc điểm cấu trúc vi mô.

Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cung cấp hình ảnh ở cấp độ nguyên tử, cho phép quan sát trực tiếp các biến dạng mạng, ranh giới song sinh và các khuyết tật bên trong martensite. Chuẩn bị mẫu TEM đòi hỏi phải làm loãng đến độ trong suốt của electron.

Kỹ thuật nhiễu xạ

Khúc xạ tia X (XRD) xác định martensite thông qua các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng tương ứng với mạng BCT. Vị trí đỉnh và sự phân tách cung cấp thông tin về các tham số mạng và tính tứ giác.

Sự nhiễu xạ electron trong TEM xác nhận mối quan hệ định hướng tinh thể và nhận dạng pha. Các mẫu nhiễu xạ cho thấy sự hiện diện của martensite và các biến thể của nó.

Mặc dù ít phổ biến hơn, nhiễu xạ neutron có thể thăm dò cấu trúc vi mô và phân số pha, đặc biệt là trong các mẫu dày hoặc hợp kim phức tạp.

Đặc điểm nâng cao

Các kỹ thuật có độ phân giải cao như chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử (APT) phân tích sự phân bố của cacbon và các nguyên tố hợp kim trong martensite ở độ phân giải gần nguyên tử. Điều này cho thấy mức độ quá bão hòa và hiện tượng cụm.

Bản đồ EBSD ba chiều tái tạo hướng và sự phân bố biến thể của các cấu trúc vi mô martensitic, hỗ trợ việc hiểu các cơ chế biến đổi.

Các thí nghiệm làm nóng hoặc làm nguội tại chỗ sử dụng TEM hoặc XRD synchrotron cho phép quan sát động lực chuyển đổi martensitic theo thời gian thực, cung cấp thông tin chi tiết về quá trình hình thành hạt và phát triển.

Tác động đến tính chất của thép

Tài sản bị ảnh hưởng	Bản chất của ảnh hưởng	Mối quan hệ định lượng	Các yếu tố kiểm soát
Độ cứng	Tăng đáng kể độ cứng do sự biến dạng mạng và mật độ sai lệch	Độ cứng (HV) có thể tăng từ ~150 trong ferit lên >600 trong martensit	Hàm lượng cacbon, tốc độ làm nguội, các nguyên tố hợp kim
Độ bền kéo	Độ bền kéo cao do mật độ sai lệch cao và gia cố dung dịch rắn	Độ bền kéo có thể đạt tới 1500–2000 MPa trong thép martensitic đã tôi	Cấu trúc vi mô, điều kiện tôi luyện
Độ dẻo	Giảm độ dẻo dai và độ dai; tăng độ giòn	Độ dẻo (độ giãn dài) có thể giảm từ >30% trong ferit xuống <10% trong martensit	Cấu trúc vi mô, tôi luyện, cấu trúc vi mô trước
ứng suất dư	Ứng suất dư cao phát triển trong quá trình làm nguội do thay đổi thể tích và độ dốc nhiệt	Mức độ ứng suất dư thay đổi nhưng có thể đạt tới vài trăm MPa	Tốc độ làm mát, vật cố định, hình dạng thành phần

Độ cứng và độ bền cao bắt nguồn từ ứng suất mạng bên trong và mật độ trật khớp được đưa vào trong quá trình biến đổi cắt. Tuy nhiên, độ giòn liên quan đòi hỏi phải tôi luyện để giảm ứng suất dư và cải thiện độ dai. Các thông số vi cấu trúc, chẳng hạn như kích thước thanh và độ bão hòa cacbon, ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính này.

Việc tối ưu hóa cấu trúc vi mô thông qua các thông số xử lý nhiệt, hợp kim và ram có kiểm soát cho phép cân bằng độ bền và độ dẻo, điều chỉnh thép cho các ứng dụng cụ thể.

Tương tác với các đặc điểm cấu trúc vi mô khác

Các giai đoạn cùng tồn tại

Martensite thường cùng tồn tại với austenite, ferrite, bainite hoặc carbide giữ lại, tùy thuộc vào quá trình xử lý nhiệt. Sự hình thành carbide trong quá trình tôi luyện có thể kết tủa tại ranh giới martensite, ảnh hưởng đến độ dai và độ cứng.

Các đặc điểm ranh giới pha, chẳng hạn như tính thống nhất và không phù hợp, ảnh hưởng đến chuyển động trật khớp và sự lan truyền vết nứt. Các vùng tương tác giữa martensite và các pha khác có thể đóng vai trò là vị trí bắt đầu hoặc dừng vết nứt.

Mối quan hệ chuyển đổi

Martensite có thể chuyển thành các pha khác trong quá trình tôi luyện, chủ yếu thành martensite tôi luyện, bao gồm quá trình kết tủa cacbua và phục hồi trật khớp. Quá trình này làm giảm ứng suất bên trong và cải thiện độ dẻo dai.

Trong một số trường hợp, austenit giữ lại có thể chuyển thành martensit khi biến dạng (độ dẻo do biến đổi, hay hiệu ứng TRIP), làm tăng độ dẻo và độ bền.

Những cân nhắc về tính siêu ổn định là rất quan trọng; quá trình làm mát quá mức hoặc hợp kim hóa có thể làm ổn định austenit giữ lại, làm chậm hoặc ngăn chặn sự hình thành martensit, ảnh hưởng đến các tính chất cơ học.

Hiệu ứng tổng hợp

Trong thép nhiều pha, martensite góp phần đáng kể vào việc phân chia tải trọng, mang lại độ bền cao, trong khi các pha mềm hơn như ferit mang lại độ dẻo. Tỷ lệ thể tích và sự phân bố của martensite ảnh hưởng đến hành vi tổng hợp tổng thể.

Sự phân bố đồng đều, mịn sẽ tăng cường độ bền và độ dẻo dai, trong khi các cấu trúc vi mô thô hoặc không đồng đều có thể dẫn đến sự tập trung ứng suất và gây ra hỏng hóc.

Kỹ thuật vi cấu trúc nhằm tối ưu hóa thể tích, hình thái và sự phân bố của martensit để đạt được sự kết hợp tính chất mong muốn trong các loại thép tiên tiến.

Kiểm soát trong chế biến thép

Kiểm soát thành phần

Các nguyên tố hợp kim được thiết kế để thúc đẩy hoặc ức chế sự hình thành martensite. Carbon là nguyên tố chính ổn định martensite, với phạm vi điển hình từ 0,2 đến 0,6 wt%. Mangan, niken và crom làm giảm nhiệt độ MS, tạo điều kiện cho sự hình thành martensite ở tốc độ làm nguội chậm hơn.

Việc hợp kim hóa vi mô với các nguyên tố như vanadi, niobi hoặc titan có thể tinh chỉnh kích thước hạt và ảnh hưởng đến hành vi biến đổi, dẫn đến độ dẻo dai và độ bền được cải thiện.

Kiểm soát chính xác thành phần hóa học đảm bảo hành vi chuyển đổi có thể dự đoán được và tính ổn định của cấu trúc vi mô.

Xử lý nhiệt

Các giao thức xử lý nhiệt bao gồm austenit hóa ở nhiệt độ thường từ 850°C đến 950°C, sau đó là làm nguội nhanh để tạo ra martensite. Tốc độ làm nguội phải vượt quá tốc độ làm nguội tới hạn để ngăn chặn sự hình thành perlite hoặc bainite.

Quá trình tôi luyện bao gồm việc nung lại thép đã tôi ở nhiệt độ từ 150°C đến 650°C, cho phép kết tủa cacbua một cách có kiểm soát và giảm ứng suất bên trong, biến martensit giòn thành martensit tôi luyện với các đặc tính cân bằng.

Hồ sơ thời gian-nhiệt độ được tối ưu hóa để đạt được các thông số vi cấu trúc mong muốn, chẳng hạn như kích thước thanh và độ bão hòa carbon, ảnh hưởng đến hiệu suất cơ học.

Xử lý cơ khí

Các quá trình biến dạng như cán nóng hoặc cán nguội có thể ảnh hưởng đến sự hình thành martensite bằng cách tạo ra các cấu trúc biến dạng và trật khớp hoạt động như các vị trí hình thành hạt nhân. Martensite do biến dạng có thể hình thành trong quá trình biến dạng ở nhiệt độ dưới tới hạn, đặc biệt là trong thép bán bền.

Quá trình phục hồi và kết tinh lại trong quá trình xử lý có thể làm thay đổi các cấu trúc vi mô trước đó, ảnh hưởng đến quá trình chuyển đổi martensitic tiếp theo trong quá trình xử lý nhiệt.

Biến dạng có kiểm soát trước khi làm nguội có thể tinh chỉnh cấu trúc vi mô, cải thiện độ dẻo dai và ảnh hưởng đến sự phân bố ứng suất dư.

Chiến lược thiết kế quy trình

Các quy trình công nghiệp kết hợp các kỹ thuật làm nguội nhanh như làm nguội bằng nước, dầu hoặc polyme, thường kết hợp với môi trường khí quyển được kiểm soát để ngăn ngừa quá trình oxy hóa.

Các công nghệ cảm biến, bao gồm cặp nhiệt điện và cảm biến hồng ngoại, theo dõi tốc độ làm mát theo thời gian thực để đảm bảo đáp ứng các mục tiêu về cấu trúc vi mô.

Kiểm chứng sau quá trình sử dụng kính hiển vi, thử độ cứng và đo từ tính để xác nhận hàm lượng và sự phân bố của martensit, đảm bảo tiêu chuẩn về chất lượng và hiệu suất.

Ý nghĩa và ứng dụng công nghiệp

Các loại thép chính

Martensite là thành phần chính của thép có độ bền cao, chống mài mòn như thép tôi và thép ram (ví dụ: 42CrMo4, 4340), thép dụng cụ và thép maraging. Nó xác định các đặc tính cốt lõi của các loại thép này, bao gồm độ cứng, độ bền kéo và khả năng chống mỏi.

Trong các ứng dụng kết cấu, các cấu trúc vi mô martensitic được kiểm soát cho phép phát triển các loại thép hiệu suất cao dùng cho cầu, bánh răng và bình chịu áp lực, nơi mà tỷ lệ độ bền trên trọng lượng rất quan trọng.

Những cân nhắc về thiết kế bao gồm việc cân bằng hàm lượng martensit với độ bền và độ dẻo để đáp ứng các yêu cầu dịch vụ cụ thể.

Ví dụ ứng dụng

Trong sản xuất dụng cụ cắt, cấu trúc vi mô martensitic mang lại độ cứng và khả năng chống mài mòn vượt trội, giúp kéo dài tuổi thọ dụng cụ và tăng tốc độ cắt.

Các bộ phận ô tô, chẳng hạn như bánh răng và trục, sử dụng thép martensitic tôi để có khả năng chịu tải cao và chống mỏi.

Các nghiên cứu điển hình chứng minh rằng việc tối ưu hóa quá trình hình thành và ram martensit có thể cải thiện đáng kể các chỉ số hiệu suất, giảm chi phí bảo trì và kéo dài tuổi thọ.

Những cân nhắc về kinh tế

Để đạt được cấu trúc vi mô martensitic mong muốn cần phải kiểm soát chính xác thành phần hợp kim, xử lý nhiệt và quá trình làm nguội, có thể phát sinh thêm chi phí. Tuy nhiên, lợi ích về hiệu suất thu được thường biện minh cho những khoản đầu tư này.

Kỹ thuật vi cấu trúc để tối ưu hóa hàm lượng martensit có thể tiết kiệm vật liệu, giảm trọng lượng và cải thiện độ bền, mang lại lợi thế kinh tế.

Sự đánh đổi bao gồm việc cân bằng chi phí xử lý với các yêu cầu về tài sản, với việc giám sát quy trình tiên tiến và tự động hóa giúp giảm sự thay đổi và chi phí.

Sự phát triển lịch sử của sự hiểu biết

Phát hiện và đặc điểm ban đầu

Cấu trúc vi mô hiện được gọi là martensite lần đầu tiên được mô tả vào đầu thế kỷ 20 trong quá trình nghiên cứu thép tôi. Những quan sát ban đầu ghi nhận sự hình thành các cấu trúc giống như kim liên quan đến độ cứng tăng lên.

Nghiên cứu ban đầu, chẳng hạn như nghiên cứu của Pauling và những người khác, đã liên kết những đặc điểm này với quá trình làm mát nhanh, nhưng hiểu biết chi tiết về tinh thể học chỉ phát triển sau đó nhờ những tiến bộ trong kỹ thuật kính hiển vi và nhiễu xạ.

Việc công nhận martensit là một pha riêng biệt đã cách mạng hóa phương pháp xử lý nhiệt thép, cho phép phát triển các loại thép có độ bền cao.

Thuật ngữ Tiến hóa

Ban đầu được gọi là "martensite" theo tên nhà luyện kim người Đức Adolf Martens, thuật ngữ này đã trở thành chuẩn mực trên toàn cầu. Các biến thể trong thuật ngữ, chẳng hạn như "cấu trúc vi mô tôi" hoặc "sản phẩm biến đổi cắt", đã được sử dụng trong lịch sử nhưng hiện nay phần lớn đã được thay thế bằng tên gọi chính xác.

Hệ thống phân loại phân biệt giữa thép thanh, thép tấm và thép kim dựa trên hình thái, với những cải tiến đang diễn ra để kết hợp các biến thể như austenit giữ lại hoặc thép martensite ram.

Những nỗ lực chuẩn hóa của các tổ chức như ASTM và ISO đã thiết lập nên danh pháp và tiêu chí phân loại vi cấu trúc thống nhất.

Phát triển Khung khái niệm

Sự hiểu biết về quá trình biến đổi martensitic đã phát triển từ các quan sát thực nghiệm thành một khuôn khổ lý thuyết toàn diện liên quan đến cơ chế cắt, tinh thể học và nhiệt động lực học.

Sự phát triển của lý thuyết hiện tượng học về martensit, kết hợp các mối quan hệ định hướng và cắt bất biến mạng, đã cung cấp khả năng dự đoán.

Những tiến bộ gần đây trong mô hình tính toán và mô hình hóa tại chỗ đã tinh chỉnh các mô hình khái niệm, cho phép kiểm soát chính xác cấu trúc vi mô và tính chất.

Nghiên cứu hiện tại và hướng đi trong tương lai

Biên giới nghiên cứu

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc tìm hiểu vai trò của austenit giữ lại, martensite có cấu trúc nano và hiệu ứng dẻo do biến đổi (TRIP) trong thép tiên tiến. Các câu hỏi chưa được giải quyết bao gồm các cơ chế chính xác chi phối quá trình lựa chọn biến thể và ảnh hưởng của hợp kim lên các con đường biến đổi.

Các nghiên cứu mới nổi khám phá tác động của quá trình xử lý áp suất cao và nhiệt độ cao lên cấu trúc vi mô martensitic, nhằm mục đích phát triển các loại thép có sự kết hợp vượt trội về độ bền, độ dẻo và độ dai.

Thiết kế thép tiên tiến

Các loại thép cải tiến, chẳng hạn như thép tôi và thép phân vùng, tận dụng sự hình thành martensit được kiểm soát kết hợp với austenit giữ lại để đạt được độ bền và độ dẻo cao cùng lúc.

Các phương pháp kỹ thuật vi cấu trúc bao gồm các vi cấu trúc gradient và martensit có cấu trúc nano, được thiết kế thông qua quá trình xử lý nhiệt cơ học và thiết kế hợp kim, nhằm nâng cao hiệu suất.

Nghiên cứu nhằm mục đích phát triển các loại thép có đặc tính martensitic phù hợp cho các ứng dụng cụ thể như lưu trữ năng lượng, kết cấu nhẹ và các thành phần chống mài mòn.

Tiến bộ tính toán

Việc tích hợp mô hình đa thang, kết hợp mô phỏng nguyên tử, phương pháp trường pha và phân tích phần tử hữu hạn, cho phép dự đoán chi tiết hành vi biến đổi martensitic.

Các thuật toán học máy ngày càng được sử dụng nhiều để phân tích các tập dữ liệu lớn từ các thí nghiệm và mô phỏng, xác định các thông số chính ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô và tính chất.

Các công cụ tính toán này tạo điều kiện cho các chu kỳ thiết kế nhanh chóng, tối ưu hóa các thông số xử lý và dự đoán sự phát triển của cấu trúc vi mô với độ chính xác cao hơn, thúc đẩy sự đổi mới trong kỹ thuật cấu trúc vi mô thép.

---

Bài viết toàn diện này cung cấp hiểu biết sâu sắc về martensit, bao gồm khoa học cơ bản, đặc điểm cấu trúc vi mô, cơ chế hình thành, đặc điểm, ảnh hưởng đến tính chất, tương tác với các pha khác, kiểm soát quá trình, ý nghĩa công nghiệp, sự phát triển lịch sử và hướng nghiên cứu trong tương lai.