Martensit

Martensit ist ein metastabiles Gefüge von Festkörpern, das diffusionslos und athermisch durch eine kooperative Scherbewegung aus dem Ausgangsgefüge entsteht.

Kooperative Bewegung heißt, dass das Martensitgitter nur durch geordnete Winkel und Lageänderungen aus dem Ausgangsgitter entsteht. Die einzelnen Atome bewegen sich dabei nur um Bruchteile des Atomabstands. Die Mittelrippe jeder entstandenen Martensitplatte, die so genannte invariante Habitusebene nimmt am Umklappen nicht teil. Martensitische Umwandlungen kommen auch in Keramiken vor und sind kein auf Metalle beschränktes Phänomen. Für Stähle ist die martensitische Umwandlung eine häufig genutzte Möglichkeit der Eigenschaftsbeeinflussung.

Das Gefüge ist nach dem deutschen Metallurgen Adolf Martens (1850-1914) benannt.

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Martensit im Eisen

Im Stahl entsteht Martensit durch einen diffusionslosen Umklappvorgang aus dem kubisch-flächenzentrierten Gitter des Austenits in ein hdP (hexadiagonal dichteste Packung) Gitter, während der raschen Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb der Martensitstarttemperatur M_S (martensite start). Die Umwandlung hört auf, wenn die Abkühlung gestoppt wird. Ist die Martensitfinishtemperatur M_F (martensite finish) erreicht, dann vergrößert sich mit weiterer Abkühlung der Volumenanteil des Martensits nicht weiter.

Je nach Anteil des eingelagerten Kohlenstoffs, bleibt immer ein Teil des Austenits nicht umgewandelt. Dieser Restaustenit ist durch die hohen Verzerrungsspannungen zu erklären, welche die zuletzt entstandene Martensitplatten auf die davor entstandene Martensitplatten ausüben, und sie dadurch am weiteren Wachstum hindern. Die Martensitplatten weisen einen linsen- oder nadelförmigen Querschnitt auf, und durchziehen sich beim Anfang der Martensitbildung von einer Seite des Korns zur anderen, siehe Abbildung 1. Weitere Platten wachsen dann unter verschiedenen Winkeln, aber meist senkrecht zu den schon im Korn vorhandenen.

Der im Austenit gelöste Kohlenstoff wird durch die rasche Abkühlung beim Abschrecken im Mischkristall zwangsgelöst. Dadurch wird das umgeklappte kfz-Gitter tetragonal verzerrt, wobei ein sehr hartes Gefüge entsteht. Die Abkühlgeschwindigkeit, bei der erste Anteile von Martensit (neben Ferrit, Perlit, Bainit) entstehen, heißt untere kritische Abkühlgeschwindigkeit. Entsteht bei der Abkühlung erstmalig nur Martensit, ist die obere kritische Abkühlgeschwindigkeit erreicht.

Im Moment der diffusionslosen Bildung aus dem Austenit ist der Martensit kristallographisch (Kurdjumov-Sachs-Beziehung) noch fast identisch mit dem Austenitgitter und daher gut richtbar (plastisch verformbar). Schon nach ca. 5 Minuten wird Martensit spröde und muss dann zum Richten vorher entspannt werden.

In Stählen wird Martensit verwendet, um einen erheblichen Härteanstieg zu erzielen. Je höher der Kohlenstoffgehalt des Martensits ist, desto höher ist die Härte (ab ca. >0,6% C etwa gleich bleibend, wenn keine Tiefkühlung zur Umwandlung vorhandenen Restaustenites erfolgt). Gleichzeitig werden mit steigendem Kohlenstoffgehalt die Martensitstart- und Finishtemperaturen zu tieferen Werten hin verschoben, siehe Abbildung 2. Die Wärmebehandlung zum Herstellen von Martensit heißt Härten (Austenitisieren und Abschrecken mit Martensitbildung). Gewöhnlich wird das Härten mit dem Anlassen kombiniert, was als Vergüten bezeichnet wird. Die Härtbarkeit eines Stahles kann durch den idealkritischen Durchmesser angegeben werden.^[1]

Gefügemodifikationen des Martensits

Abhängig von der Temperatur und dem Legierungsgehalt (insbesondere dem Kohlenstoffgehalt) entstehen unterschiedliche Gefügemodifikationen des Martensits im Werkstoff.

Lanzettmartensit

Der Lanzettmartensit (auch Latten-, Block- oder kohlenstoffarmer Massivmartensit genannt, im englischen lath martensite) entsteht bei höheren Temperaturen (an Temperaturen näher an der Martensitstarttemperatur) und geringeren Kohlenstoffgehalten von etwa 0,4-0,5 % C, in untereutektoiden Stählen. Er besteht aus abgeflachten Lanzetten, die dicht nebeneinander zu Schichten und dann schichtweise zu massiven Blöcken gepackt sind. Er ist vorherrschend in unlegierten und niedriglegierten Stählen mit weniger als 0,4 % C zu finden, aber auch in Legierungen aus Eisen mit < 25 % Nickel. Charakteristisch ist die Ausbildung in Form von Paketen aus parallelen < 1 m breiten Lanzetten, ohne Restaustenit zurückzulassen. Um ein Gefüge zu erhalten, das aus 100 % Lanzettmartensit besteht, ist ein Kohlenstoffgehalt von 0,03 % nicht zu überschreiten.

Er weist eine hohe Versetzungsdichte auf (bis zu 10¹² cm^-2) und ist deutlich besser verformbar als der Plattenmartensit, da er bei höheren Temperaturen entsteht und damit die durch das Gitterumklappen entstandenen elastischen Verspannungen durch Gleit- und Erholungsmechanismen besser abbauen kann.

Plattenmartensit

Der Plattenmartensit (auch nadelförmiger, nadeliger, verzwillingter Martensit genannt, im englischen plate martensite oder twinned martensite), entsteht bei niedrigeren Temperaturen und höheren Kohlenstoffgehalten von etwa 0,8-1 % C, also beispielsweise in übereutektoiden Stählen. Der Martensit wächst hier nicht in Lanzett-, sondern in Plattenform, bei der die Platten nicht parallel aufgeschichtet, sondern unter verschiedenen Winkeln zueinander stehen. In den Zwischenräumen verbleibt Restaustenit.

Die Platten werden einerseits durch die Korngrenzen des Austenits, und andererseits durch die schon bei höheren Temperaturen entstandenen Platten am Wachstum gehindert, so dass die neu entstehenden Platten mit der Zeit immer kürzer werden, und den Raum immer dichter benetzen. Die mittlere Länge der Platten bewegt sich dabei zwischen einem Viertel und einem Drittel der ursprünglichen Austenitkorngröße.

Der Plattenmartensit ist weniger gut verformbar als der Lanzettmartensit, weil bei tieferen Temperaturen der primäre Mechanismus der plastischen Umformung nicht Gleit- und Erholungsvorgänge sind, sondern die Bildung von Zwillingen.

Mischmartensit

Im Bereich zwischen dem Lanzett- und dem Plattenmartensit, also zwischen etwa 0,5-0,8 % C, entsteht eine Zwischenform, der Mischmartensit.

Anwendungsgebiete

Heute werden auch im Automobilbau Bleche eingesetzt, die Martensit enthalten. Allgemein spricht man hier von Mehrphasenstählen. Konkret sei hier auf die Dualphasenstähle, TRIP-Stähle, TWIP-Stähle und die Martensitischen Stähle verwiesen. Diese zeichnen sich durch hohe Festigkeit aus und lassen sich trotzdem verhältnismäßig gut umformen. Die Bildung von Martensitstrukturen lässt sich sehr schön beim Differentialhärten von japanischem Tamahagane-Stahl bei Katanas beobachten.

Anmerkungen

1. ↑ Steim, H.-J. : Untersuchungen zum Verfestigungsverhalten martensitaushärtbarer Stähle. Dissertation--Universität Karlsruhe, 1970