Martensietvorming in austenitisch roestvast staal van het type 18/8

Austenitisch roestvast staal kan onder bepaalde omstandigheden martensietvorming vertonen. Het verloop hiervan wijkt enigszins af van die, welke bij lagergelegeerde staalsoorten optreedt. Bovendien blijkt de rol van een aantal legeringselementen bij de martensietvorming een totaal andere te zijn dan bij andere omzettingsmechanismen in austenitisch roestvast staal.


A.J. Schornagel  - (artikel gepubliceerd in Roestvast Staal nummer 5, 1991- artikel 120)


Zoals bekend vormt de transformatie van de austenietstructuur naar de martensietstructuur de basis van de harding van koolstofstaaL Het is echter minder bekend, dat deze transformatie eveneens een rol van gewicht kan spelen bij de mechanische bewerking van austenitische staaltypen en dat het zich manifesteert in de praktijk als een ongewone vorm van de deformatieharding. In dit opzicht is met name het gedrag van austenitisch roestvast staal van het type 18/8 van belang.


De algemene kenmerken van de martensiettransformatie zijn de volgende:
 

• De transformatie verloopt geheel diffusieloos, dat wil zeggen de samenstelling van de martensiet is dezelfde als die van de austeniet.
• De transformatie treedt voornamelijk op bij afkoeling.
• De temperatuur waarbij de martensietvorming begint, aangeduid als Ms , is onafhankelijk van de afkoelsnelheid.
• Er bestaat een kristallografische oriëntatierelatie tussen het kristalro'oster van de martensiet en die van de matrix.
• De martensiettransformatie kan al boven Ms in gang worden gezet door middel van mechanische belasting en vervorming.

De omzetting kan als een ogenblikkelijke reactie worden opgevat: een martensietkristal kan binnen ongeveer 3 x 10-7 seconde ontstaan. Voor elke reactie en dus ook de martensiettransformatie moet worden voldaan aan de volgende twee voorwaarden:
 

• De vrije energie van het systeem moet tijdens de transformatie afnemen.
• Er moeten kiemen aanwezig zijn van waaruit de transformatie kan aanvangen.

Wat betreft de laatstgenoemde voorwaarde: hieraan wordt zelfs door zachtgegloeid austenitisch roestvast staal voldaan. Hierin zijn dan nog zoveel dislocaties, dat er meer kiemen zijn dan eigenlijk nodig is voor de transformatie. De factor die bepaalt of er wel of geen martensiet wordt gevormd is dan ook niet de kiemvorming, maar de aanvoer van vrije energie. De verandering van de vrije energie van het systeem moet groot genoeg zijn om de drempel tussen de austeniettoestand en de martensieHoestand te kunnen nemen en om te kunnen voorzien in de behoefte aan oppervlakte-energie, elastische en kinetische energie enz. Vanwege dergelijke en nog andere hindernissen ontstaat er niet zomaar martensiet uit austeniet bij de evenwichtstemperatuur waarbij dit thermodynamisch gezien zou moeten gebeuren, maar pas nadat een voldoende mate van onderkoeling heeft plaatsgevonden, gewoonlijk zo'n 200 à 300°C. Zoals gezegd kan martensietvorming op gang komen bij temperaturen boven Ms, door de austeniet te vervormen. Er is echter een temperatuur, die wordt aangeduid als Md, waarboven geen martensietvorming optreedt ongeacht de hoeveelheid deformatie.

Experimentele resultaten

Door een aantal trekstaven, gemaakt van austenitisch roestvast staal met uiteenlopende chemische samenstellingen, isotherm te rekken, dat wil zeggen bij constante temperatuur, kon de hoeveelheid gevormde martensiet worden bepaald in afhankelijkheid van de belasting, plastische deformatie en vervormingsenergie en bovendien kon de invloed van de temperatuur en staalsamenstelling worden onderzocht.

Invloed van deformatie

In afbeelding 1 zijn een aantal krommen weergegeven, die bij de deformatieproeven werden verkregen. Uit het verloop van deze krommen blijkt dat het even duurt voor de martensietransformatie op gang komt, maar dan bij stijgende vervorming goed op gang komt om daarna geleidelijk weer af te nemen totdat de transformatie geheel tot stilstand komt en er een grenswaarde MT optreedt van de hoeveelheid martensiet. Deze MT waarde is lager naarmate de temperatuur van het metaal hoger is en is nul boven een bepaalde temperatuur, die is gedefinieerd als de martensietstarttemperatuur Md.



Afbeelding 1.


Tevens bleek dat MT nooit meer dan ongeveer 90% martensiet te boven ging. Het afvlakken van de krommen betekent dat er een stabiliserend effect gaat werken dat de martensietvorming afremt en vervolgens geheel doet stoppen. Het verloop van de transformatiesnelheid per eenheid austeniet is in afbeelding 2 weergegeven als functie van het martensietgehalte. De mate van transformatie is in afbeelding 3 weergegeven als functie van de ware-spanning. Uit deze afbeelding blijkt dat de martensietvorming niet eerder op gang komt dan na het overschrijden van een zekere drempelspanning. Deze drempelwaarde is in het algemeen hoger naarmate de temperatuur van het metaal hoger is en is ook hoger naarmate de stabiliteit van de austeniet hoger is.



Afbeelding 2. Martensietvorming door plastische deformatie (trek) bij diverse temperaturen.


Afbeelding 3. Reactiesnelheid per eenheid austeniet als functie van het martensietgehalte.


Het blijft een brandende vraag wat de alles overheersende factor is bij de martensiettransformatie; is het de vorming van steeds nieuwe kiemen of is het de werking van de mechanische spanning zelf. Bij het onder spanning zetten van het materiaal zal het aantal dislocaties toenemen van zo'n 108/cm2 in een volledig zachtgegloeide structuur tot 1012 /cm2 in een sterk koudvervormd materiaal. Om hierin enig inzicht te verkrijgen werden een aantal cilindrische trekstaven bij kamertemperatuur getrokken tot verscheidene rekniveaus, waarvan de hoogste 0,44 bedroeg waarna ze onmiddellijk werden afgeschrikt tot een temperatuur van -185°C. Na deze behandeling werd geen martensietvorming waargenomen, waaruit de conclusie mag worden getrokken dat de transformatie niet alleen van de mechanische vervorming afhangt. 


Door de ware-treksterkte/ware-rek weer te geven, kan door het bepalen van het oppervlak onder de aldus gevonden kromme met inachtname van de bijbehorende martensietgehalten de in afbeelding 4 weergegeven vervormingsenergie/t ransfo rmatie krommenschaar worden geconstrueerd. Het verloop van deze krommen geeft een beeld dat overeenkomt met dat van de transformatie/rek krommen van afbeelding 1. Uit de krommen van afbeelding 4 is afgeleid hoeveel energie er nodig is om 1% martensiet te laten ontstaan. Het resultaat hiervan is te zien in afbeelding 5. Er wordt wederom ee n stimulerend effect gevonden in het beginstadium van de transformatie, dat vervolgens omslaat in een vertragende invloed nadat er een zekere mate van omzetting, die lager is naarmate de temperatuur hoger is, heeft plaatsgevonden.



Afbeelding 4. Martensietvorming als functie van de gemiddelde ware-spanning bij diverse deformatietemperaturen.


Afbeelding 5. Vervormingsenergie als functie van het martensietgehalte bij diverse deformatietemperaturen.
 

Invloed temperatuur

Uit de afbeeldingen 1 t/m 5 blijkt dat de temperatuur een sterke invloed uitoefent op het verloop van de martensietomzetting. De afbeeldingen 6 en 7 tonen deze invloed nog verder. Afbeelding 6 laat een abrupte verandering zien in de stabiliteit binnen een vrij beperkt temperatuurgebied. Bij lage rek treedt er relatief weinig martensietvorming op, zodra de rek hoger wordt komen dB krommen weliswaar dichter bij elkaar te liggen, maar is er sprake van aanzienlijke verschillen tussen de hoeveelheid gevormde martensist bij een bepaalde temperatuur binnen een temperatuurgebied tussen pak weg 50°C en -50°C. Bij temperaturen boven 50°C speelt de mechanische deformatie nauwelijks een rol van betekenis bij de martensietvorming. Om de stabiliteit van austenitisch roestvast staal ten opzichte van martensiettransformatie weer te geven, wordt wel gebruik gemaakt van de grootheid Md30. Dit is de temperatuur waarbij 50% martensiet is gevormd onder een trekbelasting die een rek van 0,30 veroorzaakt.



Afbeelding 6. Vervormingsenergie die nodig is om 1% marlensiet te doen ontstaan bij verscheidene temperaturen.


Afbeelding 7. Temperatuursafhankelijkheid van de martensietvorming bij ware-plastische vervormingen van a) 0,50; b) 0,30; c) 0,20; d) 0,10.

Invloed chemische samenstelling

Afbeelding 8 geeft een kwantitatieve weergave van de invloed van de chemische samenstelling op de stabiliteit van de austeniet. Uit deze afbeelding kunnen Md30 waarden worden verkregen. De term 'stabiliteit' verdient enige nadere toelichting. Doorgaans, als het over austenitisch roestvast staal gaat, wordt met stabiliteit van de austeniet de weerstand aangegeven om bij hoge temperaturen over te gaan in delta-ferriet. In dit verband wordt van de legeringselementen silicium, chroom, molybdeen en nog enkele andere gezegd dat het ferrietbevorderende elementen zijn, terwijl daarentegen koolstof. mangaan, nikkel en stikstof austenietstabiliserende elementen zijn. Met betrekking tot martensietvorming bij aanzienlijk lagere temperaturen, hetzij spontaan hetzij na vervorming, is er eveneens sprake van stabiliteit van austeniet, maar nu gaat het om een totaal ander begrip. Bij de martensietreactie is het gedrag van de diverse legeringselementen totaal anders en, enkele uitzonderingen daargelaten, hebben alle voornoemde legeringselementen (dus ferrietbevorderende en austen ietstabiliserende) de neiging om de austeniet te stabiliseren tegen martensietvorming. Zo is een sterk ferrietbevorderend element als bijvoorbeeld chroom in geval van martensietvorming net zo'n krachtige austenietstabilisator als nikkel. De invloed van de diverse legeringselementen is langs experimentele weg bepaald en in de volgende betrekking tot uitdrukking gebracht:


Md30(°C) = 413 - 462[(C+N)] - 9,2[Si] - 8,1[Mu] - 13,7[Cr] - 9,5[Ni] - 18,5[Mo]



waarin [..] het gewichtspercentage voorstelt van de diverse elementen.


Afbeelding 8. Transformatie-temperatuurkrommen bij een ware-rek van 0,30; voorbeeld van de bepaling van de Md30 temperatuur van vier verschillende rvs charges.

Invloed martensietvorming op mechanische eigenschappen

De waarden van de werkelijke spanning en werkelijke rek van een aantal trekproeven zijn weergegeven in afbeelding 9. In geval van gewoon staal wordt er in een dergelijk diagram een rechte lijn verkregen. Dit is bij austenitisch roestvast staal niet het geval. In eerste instantie is er sprake van een lineair verloop met slechts een lichte toename van de spanning (hardheid). die het gevolg is van de normale koude versteviging van de austeniet. Naarmate de deformatie toeneemt vindt er op een gegeven moment een abnormale hardheidstoename plaats, die het gevolg is van de vorming van martensiet, die lang niet zo makkelijk is te deformeren als austeniet. De rechten in afbeelding 10 geven de invloed weer van het koolstofgehalte op de hardheidstoename als functie van de hoeveelheid martensiet. Zoals valt te verwachten neemt de hardheid bij hogere koolstofgehalten sterker toe, dan bij lagere koolstofgehalten.


Afbeelding 11 tenslotte geeft de onderlinge samenhang weer van austenietstabiliteit, martensietvorming en koolstofgehalte. Kromme a behoort bij een austenitisch 18/8 type met een koolstofgehalte van 0,06% en met een lagere austenietstabiliteit dan het door kromme b beschreven austenitische 18/8 type met 0,16% koolstof. Type a bezit een lagere aanvangshardheid dan type b en vertoont vanwege de lagere austenietstabiliteit bij een lagere vervormingsgraad martensietvorming dan type b. Na enige verdergaande vervorming stijgt de hardheid van type a uit boven die van type b. Type b daarentegenvertoont een geleidelijke martensiettransformatie en omdat deze martensiet een hoger koolstofgehalte bezit is hij ook hard er en wordt dan ook al snel toch weer de hardste van de twee. Bij het tweede snijpunt van beide krommen, waarbij beide typen dezelfde hardheid bezitten, bevat type a 83% martensiet tegen type b 51%.


Afbeelding 9. Ware-spanning/ware-rek krommen, waaruit de invloed van de temperatuur blijkt. De 0°C curve is geëxtrapoleerd (streepjeslijn) om het verloop aan tegeven in afwezigheid van martensietvorming.


Afbeelding 10. Hardheidstoename als gevolg van martensietvorming bij verscheidene koolstofgehalten.


Afbeelding 11. Spanning/rek krommen voor twee 18/8 charges met a) een koolstofgehalte van 0,06% en lagere austenietstabiliteit dan b) met een koolstofgehalte van 0,16%.
 

Conclusies

De martensietvorming is een functie van de plastische vervorming, spanning en vervormingsenergie. De overheersende factor bij de martensietvorming, die het gevolg is van deformatie, is de toevoer van voldoende mechanische energie door middel van vervorming. Hierbij is mechanische spanning van primair belang. De mate van plastische deformatie is van ondergeschikt belang. In tegenstelling tot wat zou m ogen worden verwacht blijkt dat chroom, silicium en molybdeen een austenietstabiliserende invloed uitoefenen bij de overgang van austeniet naar martensiet, net als nikkel, mangaan, koolstof en stikstof.



Literatuur

1) T. Angel; Joumal of The Iron and Steellnstitute; May 1954.
2) G.H. Eichelman, F.C. Huil; Trans. Amer. Soc. Metals; vol. 45 1953, pag. 77-95.