Martensite là gì? Các nghiên cứu khoa học về Martensite

Định nghĩa martensite

Martensite là một pha vi cấu trúc rất cứng và giòn, được hình thành trong thép và các hợp kim có cơ sở sắt khi làm nguội nhanh từ vùng nhiệt độ austenite. Quá trình này không đi theo cơ chế khuếch tán nguyên tử như các chuyển biến pha thông thường, mà thay vào đó là một sự thay đổi đột ngột trong cách sắp xếp mạng tinh thể – thường gọi là chuyển biến martensitic.

Martensite là sản phẩm của chuyển biến rắn-rắn, tức là xảy ra giữa hai pha rắn, không thông qua trạng thái lỏng. Khi làm nguội nhanh (tôi) thép từ nhiệt độ cao, các nguyên tử không có đủ thời gian để khuếch tán và tái sắp xếp theo cấu trúc bền ở nhiệt độ thấp như ferrite hoặc pearlite. Thay vào đó, cấu trúc austenite bị "đóng băng" thành một cấu hình mới: mạng thân tâm tetragonal (BCT), đặc trưng của martensite. Đây là pha rất cứng, nhưng kèm theo đó là tính giòn cao nếu không được xử lý tiếp bằng ram.

Martensite có vai trò trung tâm trong công nghệ nhiệt luyện thép. Bằng cách điều chỉnh tốc độ làm nguội và nhiệt độ, các nhà luyện kim có thể kiểm soát tỷ lệ martensite hình thành trong cấu trúc, từ đó tối ưu hóa độ cứng, độ bền và khả năng chịu tải cho chi tiết máy hoặc công cụ cắt.

Cơ chế hình thành martensite

Sự hình thành martensite là một quá trình chuyển biến không khuếch tán, trong đó mạng tinh thể của austenite (có cấu trúc mặt tâm lập phương – FCC) chuyển sang martensite (thân tâm tetragonal – BCT) mà không cần sự di chuyển của nguyên tử ở khoảng cách lớn. Thay vì đó, các nguyên tử sắp xếp lại theo cơ chế cắt và trượt cục bộ, tạo ra mạng tinh thể mới trong tích tắc – tốc độ chuyển biến có thể đạt tới vận tốc âm thanh trong vật liệu.

Chuyển biến martensitic có thể được biểu diễn đơn giản bằng phương trình: $\gamma \ (\text{FCC}) \rightarrow M \ (\text{BCT})$ Điều kiện để xảy ra quá trình này là vật liệu phải chứa đủ lượng carbon và được làm nguội với tốc độ đủ lớn để tránh hình thành các pha như bainite hay pearlite. Chuyển biến martensitic có đặc điểm không phụ thuộc vào thời gian – tức là không cần giữ nhiệt lâu, mà phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ làm nguội.

Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ chế chuyển biến này bao gồm: thành phần hóa học (đặc biệt là hàm lượng carbon), tốc độ làm nguội, kích thước hạt austenite ban đầu và ứng suất dư trong vật liệu. Chuyển biến martensitic cũng có thể được kích hoạt cơ học – tức là khi vật liệu bị biến dạng dẻo ở nhiệt độ thấp, giúp khởi động quá trình tái tổ chức cấu trúc tinh thể.

Đặc điểm vi cấu trúc và cơ lý tính

Vi cấu trúc của martensite thường được quan sát dưới dạng các lath hoặc plate (phiến) – tức là các vùng martensite có hình dạng tấm mỏng, định hướng theo các mặt tinh thể đặc trưng. Với thép có hàm lượng carbon thấp đến trung bình, martensite có cấu trúc dạng lath nhỏ và sắp xếp trong từng gói (packet). Với thép giàu carbon, martensite có xu hướng hình thành plate lớn hơn, dễ dẫn đến nứt và giảm độ dai.

Do sự kéo giãn mạnh trong mạng BCT và hàm lượng carbon cao bị giữ lại trong dung dịch rắn, martensite thể hiện độ cứng rất cao – có thể lên đến 65 HRC hoặc 1000 HV. Tuy nhiên, tính giòn cũng là nhược điểm lớn của martensite ở trạng thái chưa ram, dễ dẫn đến gãy nứt dưới tải va đập hoặc uốn xoắn.

Bảng tính chất điển hình của các pha trong thép:

Pha	Độ cứng (HV)	Tính dẻo	Ứng dụng chính
Ferrite	~80–120	Cao	Kết cấu thông thường
Pearlite	200–250	Trung bình	Trục, bánh răng
Martensite	600–1000	Thấp	Dao cụ, thép tôi

Biến đổi nhiệt độ và các điểm tới hạn

Sự hình thành martensite không xảy ra tức thời ở một điểm, mà trải qua một dải nhiệt độ, với hai điểm quan trọng:

• Ms (Martensite start): Nhiệt độ bắt đầu xuất hiện martensite trong quá trình làm nguội từ austenite.
• Mf (Martensite finish): Nhiệt độ tại đó sự chuyển biến martensitic kết thúc hoàn toàn.

Giữa hai mức này, tỷ lệ austenite chuyển dần sang martensite, và tốc độ tăng nhanh khi gần đến $M_f$.

Nhiệt độ $M_s$ và $M_f$ phụ thuộc vào thành phần hóa học, đặc biệt là carbon và các nguyên tố hợp kim. Hàm lượng carbon càng cao thì $M_s$ càng giảm. Một công thức kinh nghiệm được dùng để ước lượng $M_s$ theo thành phần thép là: $M_s = 539 - 423C - 30.4Mn - 17.7Ni - 12.1Cr - 7.5Mo$ Trong đó các nguyên tố được tính theo phần trăm khối lượng.

Biểu đồ nhiệt luyện thường kèm theo đường cong TTT (Time-Temperature-Transformation) và CCT (Continuous Cooling Transformation) để xác định phạm vi tồn tại của martensite, giúp thiết kế chu trình làm nguội tối ưu. Nguồn tham khảo chi tiết: ScienceDirect – Martensite Start Temperature Modeling.

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Thành phần hóa học của thép và hợp kim có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hình thành martensite và tính chất cơ học sau cùng. Carbon là nguyên tố quan trọng nhất: nó làm tăng độ cứng của martensite bằng cách gây biến dạng mạng tinh thể BCT, tạo ra ứng suất nội tại lớn và cản trở sự chuyển động của các mặt trượt trong tinh thể.

Tuy nhiên, hàm lượng carbon cao cũng làm giảm nhiệt độ $M_s$ – tức là cần làm nguội sâu hơn để tạo được martensite hoàn toàn. Khi carbon vượt quá 0.6%, martensite trở nên rất giòn và dễ bị nứt. Ngoài ra, các nguyên tố hợp kim khác cũng đóng vai trò điều chỉnh nhiệt độ chuyển biến và ổn định cấu trúc:

• Mangan (Mn): Giảm nhiệt độ $M_s$, tăng khả năng tôi sâu (hardenability).
• Niken (Ni): Tăng độ dẻo, giảm $M_s$, cải thiện khả năng chịu lạnh.
• Crom (Cr): Ổn định martensite, tăng khả năng chống mài mòn và ăn mòn.
• Molypden (Mo): Ức chế sự hình thành carbide không mong muốn, tăng ổn định nhiệt.

Bảng sau minh họa ảnh hưởng của một số nguyên tố đến nhiệt độ $M_s$ (giá trị giảm trên mỗi 1% nguyên tố):

Nguyên tố	Giảm $M_s$ (°C/% nguyên tố)	Vai trò chính
Carbon	~423	Tăng độ cứng, biến dạng mạng
Mangan	~30.4	Ổn định austenite
Niken	~17.7	Tăng độ dai
Crom	~12.1	Chống ăn mòn

Ram martensite (tempering) và thay đổi tổ chức

Sau khi tôi (quenching) để tạo martensite, thép thường rất cứng nhưng đi kèm với tính giòn cao và dễ nứt. Vì vậy, quá trình ram (tempering) là bắt buộc để giảm ứng suất bên trong, chuyển hóa tổ chức tinh thể và cân bằng độ cứng với độ dẻo. Ram được thực hiện bằng cách nung vật liệu ở nhiệt độ từ 150°C đến 700°C, giữ trong thời gian nhất định rồi làm nguội.

Trong quá trình ram:

• Carbon bị đẩy ra khỏi mạng BCT và kết tủa dưới dạng các hạt carbide nhỏ (Fe₃C hoặc hợp chất khác tùy thành phần hợp kim).
• Mạng tinh thể chuyển từ dạng tetragonal sang dạng khối tâm (BCC), tạo ra ferrite hoặc tổ chức hỗn hợp ferrite + carbide.
• Ứng suất dư bị giải phóng, giảm khả năng nứt gãy do tải trọng hoặc biến đổi nhiệt.

Tùy thuộc vào nhiệt độ ram, tổ chức vật liệu có thể bao gồm các pha trung gian như troostite (ram ở khoảng 300–400°C) hoặc sorbite (ram ở 500–600°C). Những tổ chức này có tính chất cơ học cân bằng giữa độ bền và độ dai, phù hợp cho các ứng dụng như trục, bánh răng, dao cụ chịu va đập.

Martensite trong thép không gỉ và hợp kim đặc biệt

Thép không gỉ martensitic là một nhóm vật liệu có chứa ≥11.5% Cr, có khả năng tạo martensite khi làm nguội từ vùng austenite. Các mác thép điển hình gồm AISI 410, 420, 440A/B/C – thường dùng trong sản xuất dao kéo, khuôn ép, chi tiết máy chịu mài mòn và va đập. So với thép không gỉ austenitic, nhóm này có thể tôi cứng bằng nhiệt luyện nhưng độ bền ăn mòn thấp hơn.

Martensite cũng xuất hiện trong các hợp kim thông minh như NiTi (Nitinol), nơi nó tham gia vào hiệu ứng ghi nhớ hình dạng (shape memory effect) và siêu đàn hồi (superelasticity). Trong các điều kiện nhiệt độ hoặc ứng suất nhất định, vật liệu có thể chuyển đổi giữa martensite và austenite một cách thuận nghịch, tạo ra hành vi cơ học độc đáo. Các ứng dụng điển hình:

• Stent y khoa tự giãn
• Robot mềm và cấu trúc biến hình
• Cơ cấu truyền động vi mô (MEMS)

Tài liệu chi tiết: NIH – Martensite in Shape Memory Alloys.

Kiểm tra và xác định martensite

Martensite có thể được phát hiện và phân tích thông qua nhiều phương pháp kỹ thuật. Trong luyện kim thực nghiệm, các phương pháp phổ biến gồm:

• Kính hiển vi quang học (OM): Sử dụng hóa chất ăn mòn đặc biệt (như Nital) để hiện rõ cấu trúc lath hoặc plate dưới ánh sáng phản xạ.
• Hiển vi điện tử quét (SEM): Quan sát bề mặt mẫu ở độ phân giải cao, xác định hình thái và độ phân bố của martensite.
• Hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Nghiên cứu cấu trúc mạng BCT và tương tác vi mô ở cấp độ nguyên tử.
• Nhiễu xạ tia X (XRD): Phân tích pha tinh thể, xác định tỷ lệ phần trăm martensite trong nền vật liệu.

Ngoài ra, đo độ cứng (Vickers, Rockwell) cũng được sử dụng để đánh giá gián tiếp sự hiện diện và mức độ tôi cứng của martensite. Sự thay đổi độ cứng rõ rệt giữa trạng thái trước và sau tôi là dấu hiệu cho thấy sự chuyển biến cấu trúc đã xảy ra thành công.

Ứng dụng và vai trò công nghiệp

Martensite là yếu tố cốt lõi trong thiết kế và chế tạo các sản phẩm cần độ cứng, độ bền cao hoặc đặc tính chuyển biến pha thông minh. Các ứng dụng phổ biến trong ngành luyện kim và cơ khí bao gồm:

• Dao cắt công nghiệp, lưỡi cưa, dao mổ
• Khuôn dập, trục truyền, bánh răng, trục cam
• Lò xo chịu lực, đĩa ly hợp, bạc đạn
• Thiết bị y tế: khung xương, ốc vít sinh học, stent

Kiểm soát sự hình thành martensite thông qua chu trình nhiệt luyện giúp tối ưu hóa tuổi thọ, hiệu suất và chi phí sản xuất. Các ngành công nghiệp như ô tô, hàng không, thiết bị y sinh và quốc phòng đều phụ thuộc mạnh vào các đặc tính vượt trội của martensite.

Kết luận

Martensite là một pha vi cấu trúc đặc biệt, tạo nên độ cứng và độ bền vượt trội trong thép và hợp kim hiện đại. Sự chuyển biến không khuếch tán từ austenite sang martensite mang lại cơ hội điều chỉnh cơ lý tính vật liệu thông qua xử lý nhiệt. Hiểu rõ bản chất, yếu tố ảnh hưởng và phương pháp xử lý martensite là nền tảng để phát triển vật liệu có hiệu suất cao trong kỹ thuật và công nghiệp tương lai.