Martensit

Martensit ist eine harte, spröde Phase von Stahl, die entsteht, wenn Austenit (mit Kohlenstoffatomen gesättigtes Eisen) so schnell abkühlt, dass Kohlenstoffatome nicht diffundieren und sich in weichere Phasen wie Perlit umwandeln können. Die Atome frieren in einer raumzentrierten tetragonalen Kristallstruktur ein, wobei der Kohlenstoff in fester Lösung gebunden bleibt. Dieser Härtungsprozess, typischerweise eine Abkühlung von über 900 Grad Celsius mit Geschwindigkeiten von mehr als 100 Grad pro Sekunde, ist es, was Martensit statt der weicheren Gefügestrukturen erzeugt, die bei langsamer Abkühlung entstehen.

Die Härte von Martensit stammt aus diesem verzerrten Kristallgitter und den Kohlenstoffatomen, die darin eingelagert sind. Die Stahlhärte auf der Rockwell-C-Skala springt dramatisch an, wenn sich Martensit bildet, oft 50 bis 65 HRC je nach Kohlenstoffgehalt. Diese Härte hat aber einen Preis: Martensit ist auch spröde und rissanfällig, besonders wenn er ungefestigt ist. Die Struktur, die ihn hart macht, macht ihn auch zerbrechlich genug, um unter Schlag zu bersten.

Anlassen und praktische Verwendung

Um Martensit in echten Werkzeugen und Bauteilen brauchbar zu machen, glühen Metallurgen ihn durch Wiedererwärmung auf eine kontrollierte Temperatur, typischerweise 150 bis 650 Grad Celsius. Diese Wiedererwärmung ermöglicht, dass etwas Kohlenstoff als feine Karbide ausscheidet, die tetragonale Verzerrung verringert sich und die Härte nimmt leicht ab, während die Zähigkeit dramatisch steigt. Die Endeigenschaften hängen ganz von der Anlasstemperatur ab: Ein Schneidwerkzeug könnte auf 200 Grad Celsius angelassen werden, um maximale Härte zu halten; eine Feder könnte auf 400 Grad Celsius angelassen werden für Flexibilität und Schlagfestigkeit.

Der Begriff Martensit ehrt Adolf Martens, einen deutschen Metallurgen des 19. Jahrhunderts, der die Struktur von gehärtetem Stahl unterm Mikroskop studierte, bevor ihre Kristallographie vollständig verstanden war. Er beobachtete die nadel- oder plattenförmige Erscheinung dieser Phase in polierten und geätzten Proben, und der Name blieb haften, auch nachdem Röntgenkristallografie das tetragonale Gitter darunter offenbarte. In der modernen Stahlherstellung ist die Kontrolle der Martensitbildung grundlegend für die Wärmebehandlung; die erforderliche kritische Abkühlgeschwindigkeit zur Martensitbildung hängt von der Legierungszusammensetzung ab, wobei Chrom, Molybdän und andere Elemente diese Rate erhöhen und den Stahl schwerer richtig abzuschrecken machen.

Die Martensitbildung ist nicht auf Eisen-Kohlenstoff-Systeme beschränkt. Ähnliche Strukturen entstehen in Nichteisenlegierungen und Keramiken bei schneller Abkühlung von hoher Temperatur, aber in der Stahlbearbeitung bezieht sich der Begriff Martensit fast immer auf Kohlenstoff-Eisen-Martensit. Seine Gegenwart wird durch Härteprüfung, magnetische Eigenschaften oder durch Ätzen eines polierten Querschnitts und Untersuchung der Mikrostruktur unterm Mikroskop überprüft, wobei Martensit als charakteristische nadel- oder stäbchenförmige Bereiche erscheint.