La martensite è una microstruttura che si sviluppa nei metalli e nelle leghe durante il processo di tempra quando esposti a temperature elevate. Si tratta di una soluzione solida soprassaturata di carbonio in ferrite con una configurazione tetragonale a corpo centrato. L’ingegnere francese Floris Osmond coniò il termine martensite nel 1895 in onore del metallurgista tedesco Adolf Martens, noto pioniere nel campo dell’ingegneria dei materiali.
La definizione di martensite
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Inizialmente, il termine martensite descriveva la fase dura presente negli acciai temprati. Oggi, viene utilizzato per riferirsi a qualsiasi prodotto che non subisce diffusione durante il raffreddamento o la deformazione, inclusi metalli ferrosi, leghe non ferrose, ceramiche e minerali.
Un esempio significativo è rappresentato dall’acciaio inossidabile martensitico, che contiene generalmente tra il 12 e il 18% di cromo e dallo 0.1 all’1.2% di carbonio. Questo tipo di acciaio può essere temprato e rinforzato attraverso trattamenti termici, migliorando così le sue prestazioni, anche se la sua resistenza alla corrosione risulta generalmente inferiore rispetto all’acciaio inossidabile austenitico.
Processo di formazione
La martensite che si forma in forma aciculare è nota per essere estremamente dura ma fragile. Questo tipo di microstruttura si genera quando l’austenite viene temprata a velocità di raffreddamento così elevate che il carbonio non ha il tempo necessario per diffondersi dal reticolo. Quando esposta a temperature elevate fino a 720°C per lunghi periodi, fino a 10 ore, la martensite può trasformarsi di nuovo in ferrite.
La trasformazione martensitica, una fase di trasformazione solida, porta a un cambiamento nella struttura cristallina senza modificare la composizione chimica. Questo processo è caratterizzato da un movimento altamente organizzato degli atomi, influenzato da fattori come dislocazioni e soluti sostituzionali. Il diagramma di trasformazione tempo-temperatura, noto come diagramma TTT, rappresenta la cinetica di questa trasformazione. Nel diagramma, la temperatura è posizionata sull’asse delle ordinate e il tempo sull’asse delle ascisse, indicando il punto di partenza e di arrivo della trasformazione dell’austenite.
Per la decomposizione dell’austenite, il punto di avvio e quello di arrivo sono definiti all’1% e al 99% di conversione. La forma del diagramma TTT, insieme al punto di martensite Ms, che segna l’inizio della transizione in martensite, dipendono dal contenuto di carbonio. Con l’aumento della percentuale di carbonio, la temperatura Ms tende a scendere, e mediante l’aggiunta di elementi come manganese o nichel, questo punto può scendere al di sotto della temperatura ambiente.
In presenza di elevato sottoraffreddamento, la tendenza alla trasformazione diminuisce, il che determina una velocità di formazione del nucleo che aumenta, ma allo stesso modo la crescita dei nuclei rallenta, dando vita alla caratteristica curva a forma di “C” presente nel diagramma TTT.
Impiego della martensite
La martensite negli acciai ha un ruolo cruciale nel sostenere carichi meccanici. Le sue applicazioni spaziano da utensili manuali storici e spade finemente lavorate, fino a componenti ad alta resistenza e elevata resistenza alla fatica per macchine, utensili, stampi, ingranaggi e strutture portanti complesse come i carrelli di atterraggio degli aerei.
Le microstrutture temprate negli acciai richiedono la creazione della fase madre austenite e la trasformazione in cristalli di martensite tramite il processo martensitico, seguito da un’adeguata tempra per regolare resistenza e tenacità. Le tecniche di lavorazione per ottimizzare queste microstrutture continuano ad evolversi, con metodi innovativi come l’indurimento superficiale mediante induzione, plasma e laser.
In particolare, gli acciai inossidabili martensitici rappresentano un gruppo specifico di acciai inossidabili che possono essere temprati attraverso processi come l’invecchiamento e il trattamento termico. Questi acciai beneficiano della struttura metallurgica della martensite, ottenuta quando la lega viene riscaldata oltre la soglia critica di 870 °C e poi sottoposta a un rapido raffreddamento.
Esistono due principali categorie di acciai martensitici: la prima include quelli che sfruttano la trasformazione martensitica per rafforzarsi, come gli acciai per utensili e i leggeri bassolegati, in cui nessun elemento supera il 5% del complesso. La seconda categoria comprende gli acciai maraging, noti per le loro straordinarie proprietà meccaniche, tenacità elevata, durezza e facilità nel trattamento termico.
Questi acciai possono subire un trattamento di invecchiamento in grado di generare la precipitazione di composti intermetallici nel reticolo cristallino, migliorando ulteriormente le loro caratteristiche meccaniche. Gli acciai inossidabili martensitici presentano un contenuto di cromo variabile tra il 12 e il 18% e un alto livello di carbonio, il che si traduce in notevole durezza e resistenza, mentre presentano una scarsa resistenza alla corrosione, che può essere migliorata con l’aggiunta di nichel.
Inoltre, nichel e vanadio possono aumentare la tenacità e la resistenza agli elevati calori, rispettivamente. Acciaio martensitico ha anche una matrice ricca di martensite, che viene prodotta tramite tempra a velocità elevate dalla regione austenite-ferrite, risultando particolarmente utile in applicazioni automobilistiche come travi per portiere e paraurti. Infine, gli acciai ad alta resistenza avanzati (AHSS), sviluppati negli ultimi anni, sono progettati per combinare leggerezza e requisiti di sicurezza.
