Характерной особенностью мартенсита в сталях является его высокая прочность, но низкая пластичность и вязкость. Существует ряд точек зрения о причинах высокой прочности и хрупкости мартенсита. Считают, что высокая прочность этой фазы связана с искажением кристаллической решетки, высокими внутренними напряжениями, наличием избыточных атомов углерода в решетке и высокой плотностью дислокаций.
Как уже было указано, плотность дислокаций в мартенсите составляет ≈ 1011 + 1012 см-2, что примерно соответствует плотности дислокаций в сильно деформированном железе. Однако твердость мартенсита в стали весьма существенно превышает значение этой величины для наклепанного железа. Причем, твердость мартенсита резко повышается с увеличением концентрации углерода в стали, рис.1.
Наблюдаемое на этом рисунке снижение твердости стали при содержании углерода превышающем ≈0.9% связано не с разупрочнением мартенсита, а с присутствием остаточного аустенита в структуре, количество которого увеличивается по мере роста концентрации углерода в стали. Анализ влияния указанных выше факторов на прочность мартенсита показывает, что решающую роль в упрочнении мартенсита играют: высокая плотность дислокаций и присутствующий в α-твердом растворе углерод, блокирующий дислокации путем образования атмосфер Коттрелла. Установлено, что между пределом текучести мартенсита и концентрацией в нем углерода выполняется следующая зависимость:
σт = σ1 + mcn,
где σ1 = σ0 + kd-1/2 – величина, характеризующая упрочнение за счет субструктуры;
m – мера взаимодействия атомов углерода с дислокациями;
n – параметр, характеризующий межуглеродное взаимодействие вдоль линии дислокации;
d — расстояние между стенками дислокационных ячеек;
k – постоянная;
c – концентрация углерода;
σ0 – напряжение трения для чистого железа при отсутствии стенок.
Данное уравнение хорошо выполняется при содержании углерода в стали, не превышающем ≈ 0.2%.
Низкая пластичность и вязкость мартенсита также обусловлена малой подвижностью дислокаций вследствие закрепления их атмосферами из атомов углерода. В этих условиях затрудняется релаксация напряжений у вершины хрупкой трещины, благодаря чему снижается сопротивление мартенсита распространению трещины.
