Механизмы упрочнения стали

Значение предела текучести стали можно описать следующим уравнением, считая, что все механизмы упрочнения σ_i воздействуют аддитивно:

.

Где: – напряжение трения решетки -железа; – твердорастворное упрочнение; – перлитное упрочнение; – деформационное упрочнение; – дисперсионное упрочнение и – зернограничное упрочнение.

Напряжение трения описывается моделью Пайерлса–Набаро. Фактически можно считать, что оно равно прочности основы исследуемого материала. Так как основой стали является железо, то можно принять значение предела текучести железа Ds₀ = » 30 МПа.

Для легированной стали s_Т = K_i´С_i. Легирование железа приводит к существенным искажениям кристаллической решетки железа, что затрудняет перемещение дислокаций. Известно, что легирующие элементы, образующие в железе растворы внедрения, приводят к бóльшим искажениям, чем те, которые образуют растворы замещения.

Значения K_i для легирующих элементов при твердорастворном упрочнении феррита приведены ниже.

 

Элемент	С + N	Р	Si	Ti	Al	Cu	Mn	Cr	Ni	Mo	V
Ki, МПа/1%

Видно, что наибольшее упрочнение при растворении дают элементы, образующие растворы внедрения. Однако ввиду малой их растворимости нельзя получить значительное упрочнение феррита. Кроме того, упрочнение C, N, P и другими металлоидами сопровождается охрупчиванием стали.

Наиболее эффективным является комплексное легирование малыми добавками нескольких элементов.

Перлитное упрочнение обусловлено уменьшением свободного пробега дислокации в ферритной фазе, которая в первую очередь подвергается пластической деформации при нагружении. Длина свободного пробега в этом случае ограничена расстоянием между цементитными пластинами. Поэтому, стали, имеющие структуру мелкопластинчатого перлита имеют более высокий уровень предела текучести, чем те же стали с крупнопластинчатым перлитом. Однако перлитное упрочнение понижает пластичность стали и повышает температуру хрупко-вязкого перехода. По этим причинам данный способ упрочнения не находит широкого распространения. Он применяется, например, при изготовлении труб высокого давления для тепловых электростанций.

Тот же механизм упрочнения, связанный с ограничением свободной длины пробега дислокации, используется при упрочнении стали дисперсными частицами. Разница состоит в том, что при перлитном упрочнении цементитная пластина «непроницаема» для дислокации ввиду больших ее размеров. Скопление дислокаций перед пластиной может «пройти» через цементитную «преграду» только разрушив ее. Образованная в цементите трещина является концентратором напряжений и приводит к охрупчиванию стали.

Если цементитные или интерметаллидные выделения будут иметь малые размеры, а расстояния между ними будет достаточно велико, то дислокация может обходить такие частицы по механизму Орована без разрушения кристаллической основы. Упрочнение по механизму Орована связано с затратами дополнительной энергии на увеличение длины дислокационных сегментов и определяется уравнением:

Ds_ду = 0,85×(G× /p×l)×Ф×ln(l/2b),

где: G ­– модуль сдвига, b – вектор Бюргерса дислокации, l – среднее расстояние между центрами частиц и Ф – статистический коэффициент.

Видно, что прочность при этом способе упрочнения зависит не от размера упрочняющих частиц или доли упрочняющей фазы, а только от расстояния между частицами l. Эта закономерность позволяет создавать большое упрочнение за счет высокой дисперсности упрочняющих фаз в структуре сплава при малой их суммарной доли.

Карбиды, нитриды и многие другие фазы по причинам большой разницы их кристаллического строения с ферритом или высокой скорости диффузии составляющих элементов не позволяют получить частицы в виде мелких выделений. В качестве упрочняющих фаз используют интерметаллиды: Fe₂Mo, Ni₃Mo, Ni₃Ti, Ni₃Al, Ni₃Ti и др. Эти фазы имеют кристаллические решетки по своему строению близкие к ферриту или аустениту и, находясь в ферритной или аустенитной фазе, образуют с нею когерентную связь и создают поле высоких упругих напряжений, обусловленное несоответствием параметров кристаллических решеток частиц и матрицы.

Оптимальную структуру стали, обеспечивающую высокий уровень прочности и вязкости одновременно, можно получить в результате легирования стали указанными элементами и последующей термической обработки, состоящей из закалки, обеспечивающей гомогенное состояние, и последующего старения, которое формирует степень дисперсности выделений.

Рис. 87. Этапы старения углеродистого сплава железа, закаленного в воде от 720 °С и состаренного при температуре 200 °С: 1 – закаленное состояние; 2 – старение 2 мин., 3 – 15 мин., 4 – 30 мин.: 1 – дислокации; 2 – граница зерна; 3 – граница субзерна; 4 – предвыделения карбидной фазы; 5 – карбидные частицы

 

На рис. 87 показано поэтапное выделение карбидной фазы при старении железа, содержащего 0,02 % С после закалки в воде от температуры 720 °С и старения при 200 ºС.

Деформационное упрочнение описывается уравнением:

Ds_д = a×т× G ×b×r^1/2,

где G – модуль сдвига, b – вектор Бюргерса, r – плотность дислокаций, т – ориентационный множитель и a – коэффициент взаимодействия дислокаций.

У феррита дислокации имеют достаточно высокое значение дефекта упаковки, благодаря чему они склонны к неконсервативному перемещению при пластической деформации. Поэтому при наклепе формируется ячеистая структура, которая показана на рис. 88, 1. В такой структуре на границах ячеек сосредоточена высокая плотность дислокаций. Перемещение дислокаций в деформированной стали возможно только в пределах ячейки. Таким образом каждая ячейка становится своеобразным зерном, которое называют субзерном. Уменьшение длины свободного пробега дислокаций является основной причиной повышения прочности стали при деформации.

Таким образом, деформационное упрочнение стали обусловлено двумя причинами: взаимодействием движущихся дислокаций и изменением длины свободного пробега. Причем, если первый механизм может привести к упрочнению на 3…5 %, то второй – на 30…40 %. Увеличение скорости деформирования измельчает субзерно. Так, при нагружении взрывом, средний размер ячейки составляет ~ 1 мкм. При такой структуре малоуглеродистая сталь приобретает прочность закаленной среднеуглеродистой стали.

из всех видов упрочнения лишь один – зернограничное (субструктурное) (рис. 88, 2 и 3) упрочнение приводит одновременно к повышению, как прочности, так и вязкости стали. Все остальные виды, упрочняя сталь, снижают ее вязкость.

Рис. 88. Дислокационное строение ячеек (субзерен) после деформации (1) и деформации и дорекристаллизационного отжига (2 и 3)

 

Повышение прочности, обусловленное размером зерна описывается уравнением:

Ds = K_y×d^-1/2,

где K_y – коэффициент, зависящий от материала (для ферритно-перлитных сталей K_y = 0,57…0,73 МПа×м^1/2) и d – средний размер зерна.

Если упрочнение создается не большеугловыми границами, а субзерном (рис. 87, 2), то повышение прочности описывается уравнением: Ds = K_с×l^-1, где l – средний размер ячейки. В этом случае K_с = 1,5´10^-4 МПа×м.

Субструктурное упрочнение получают посредством деформации стали с последующим отжигом при температурах ниже порога рекристаллизации. Эта технология была впервые разработана в СССР в начале Отечественной войны и позволила заменить латунь на сталь при производстве гильз стрелкового оружия и артиллерии.

Таблица 17

Характеристика предела текучести низколегированных феррито-перлитных сталей [1]

Компоненты упрочнения	Расчетная формула упрочнения	Ориентировочная доля компоненты упрочнения в пределе текучести, %	ЛЭ, увеличивающие данную компоненту упрочнения
Напряжение трения, s0	s0 = 2G×10–4	5...10	–
Легирование a–твердого раствора Dsтр		25...40	Mn, Si, Ni, Р
Перлит DsП	DsП = 2,4×(%П)	5...15	C, Mn, Ni, Cr, Mo
Деформационное упрочнение Dsд	Dsд = a×т×G×b×r1/2	3...5	–
Дисперсионное упрочнение Dsду	Dsду = 0,85×(G×b/p×l)×Ф×ln(l/2b)	20...25	V, Nb, Ti, (Al, N – в нитридах)
Зернограничное (субзернограничное) упрочнение Dsз (Dsc)	Dsз = Ky××d–1/2 (Dsc = Kc×l–1)	30...40	V, Nb, Ti, (Al, N – в нитридах)

 

Упрочнение так же влияет на температуру охрупчивания стали. Нетрудно найти связь между механизмами упрочнения и температурой хрупко-вязкого перехода [15]. Эта связь описывается следующим уравнением:

Видно, что только зернограничное упрочнение снижает температуру хрупко-вязкого превращения стали. Этот вывод очень важен для условий эксплуатации стальных изделий в северных регионов России, где работоспособность машин зачастую определяет не прочность металла, а его вязкость, которая при неудачном выборе технологии упрочнения может привести к снижению Т_Х ниже климатических температур эксплуатации.

Следует помнить, что некоторые марки зарубежных сталей не пригодны для эксплуатации не только в северных широтах РФ, но даже в средней полосе. Приобретая зарубежную сталь необходимо обращать внимание на содержание в ней фосфора.

Л 5.4. Упрочнение ферритно-перлитных сталей при легировании