2. Способы упрочнения стали

1. Деформационное упрочнение (наклеп). Беспорядочно расположенные дислокации ("лес дислокаций") в деформированном металле вызывают сильное повышение прочности (_т = 10^–3 10^–2G при  = 10¹¹ 10¹² см^–2), но одновременно резко снижают сопротивление хрупкому разрушению. Следовательно, деформационное упрочнение не обеспечивает высокой конструктивной прочности.

2. При образовании твердых растворов _в , _т и НВ повышаются (твердорастворное упрочнение). В неупорядоченном твердом растворе возникающие вокруг атомов растворенного элемента поля упругих напряжений затрудняют скольжение дислокаций. Степень торможения дислокаций в твердом растворе определяется фактором размерного несоответствия атомов растворителя и растворенного элемента, разностью модулей упругости и возрастает пропорционально концентрации. Повышение прочности в твердом растворе замещения прямо пропорционально концентрации растворенного элемента (до 10 – 30 %). Однако абсолютная величина упрочнения зависит от вида растворяемого компонента. Величина К_1с при образовании твердых растворов снижается. В  случае твердого раствора внедрения прочность во много раз больше, чем при образовании твердого раствора замещения при той же концентрации. Очень затрудняют движение дислокаций, а следовательно, повышают прочность, атмосферы Коттрелла, даже при малом содержании компонента внедрения. Примеси внедрения сильно понижают вязкость разрушения К_1с.

Основная причина охрупчивания металла в присутствии примесей внедрения – малая подвижность дислокаций. Это вызвано, с одной стороны, повышенным сопротивлением решетки раствора внедрения скольжению дислокаций и, с другой стороны, закреплением дислокаций атмосферами из атомов внедрения. Из-за низкой подвижности дислокаций, а следовательно, отсутствия микропластической деформации не происходит релаксация (ослабление) напряжений у вершины хрупкой трещины.

При ограниченном легировании, твердые растворы замещения обладают достаточной пластичностью и вязкостью и служат матрицей для многих конструкционных и инструментальных сплавов.

3. Механические свойства сплавов твердых растворов в сильной степени зависят от величины зерна, полигонизованной структуры (субструктуры) и других структурных изменений.

Эффективным барьером для движения дислокаций в металлах является межзеренная граница – зернограничное упрочнение. Это объясняется тем, что дислокация не может перейти границу зерна, так как в новом зерне плоскости скольжения не совпадают с плоскостью движения этой дислокации. Дальнейшая деформация продолжается в результате возникновения новой дислокации в соседнем зерне, поэтому чем мельче зерно (больше протяженность границ), тем выше прочность металла. Повышение прочности при измельчении зерна не сопровождается охрупчиванием. Границы зерен и субзерен являются полупроницаемыми для дфижущихся дислокаций. Чем мельче зерно, тем труднее развивается хрупкая трещина, поскольку границы зерен затрудняют переход трещины сколом из одного зерна в другое вследствие изменения направления ее движения.

Измельчение зерна понижает порог хладноломкости. Для устранения интеркристаллитного (межзеренного) хрупкого разрушения надо уменьшать скопление примесей в приграничных объемах (сегрегацию без выделения) и образование на границах зерен хрупких фаз (чаще химических соединений), особенно в виде сплошной сетки.

Измельчение зерна модифицированием, термической обработкой, легированием является одним из перспективных методов упрочнения металлов и сплавов. Создание в зерне препятствий для движения дислокаций в виде хорошо развитой субструктуры приводит к дополнительному упрочнению. Образование дислокационной структуры по механизму полигонизации (ячеистой структуры) повышает _т, мало изменяет К_1с и понижает порог хладноломкости Т₅₀.

4. Выделение внутри зерен твердого раствора высокодисперсных равномерно распределенных частиц упрочняющих фаз, например, в процессе закалки и старения, сильно повышает _т (дисперсное упрочнение). Упрочнение при старении объясняется торможением дислокаций зонами Гинье-Престона (ГП) или частицами выделений. Чем прочнее зоны ГП и больше их модуль упругости, тем труднее они перерезаются дислокациями. Вокруг зон ГП создается зона значительных упругих напряжений, которая также тормозит движение дислокаций, а следовательно, способствует упрочнению при старении.

В случае частиц избыточной фазы дислокации под действием приложенных напряжений либо перерезают, либо огибают эти частицы. Это зависит от их размера, прочности и расстояния между ними. Наибольшее упрочнение наблюдается, когда вторая фаза дисперсна, равномерно распределена по объему и расстояние между частицами не велико.

Таким образом, для получения сплавов с высокой конструктивной прочностью нужно, чтобы основной твердый раствор (матрица) имел мелкозернистое строение с развитой внутризеренной структурой, в которой рвномерно распределены высокодисперсные частицы упрочняющей фазы. Такая структура сплава обеспечивает получение полупроницаемых барьеров для движущихся дислокаций и сочетание высокой прочности (_в, _т), вязкости разрушения К_1с и низкой температуры вязкохрупкого перехода.