5.1 Твердорастворное упрочнение.
Упрочнение твердых растворов при легировании обусловлено разницей атомных диаметров и разностью модулей упругости атомов матрицы и растворенных легирующих элементов. При расчете твердорастворного упрочнения стали пользуются формулой:
Расчет по этой формуле возможен, если известны коэффициенты упрочнения ki. Их определяют при специальных исследованиях по влиянию легирования на свойства матрицы сплавов. Определение значений Сi является наиболее сложной задачей, так как эта величина представляет собой концентрацию легирующего элемента в твердом растворе, а не его содержание в стали или сплаве. Дело в том, что легирующий элемент
может
быть лишь частично растворен в твердом
растворе, а частично он связан в карбидную,
нитридную или интерметаллидную
упрочняющую фазу. В качестве примера
покажем, как величина Сi
может быть ориентировочно оценена при
расчете т.р
для ферритно-перлитных сталей.
В этих сталях свойства легированного феррита существенно предопределяют уровень их механических свойств. Можно приблизительно считать, что такие некарбидообразующие элементы, как Si, Ni, Р целиком входят в состав феррита. Медь мало растворима в феррите и образует самостоятельную фазу. Как показывают опытные данные, в феррите горячекатаных сталей (нормализованных) обычно растворено ~ 0,01 – 0,02% (С + N). Остальное количество углерода и азота связано в цементит и специальные карбиды и нитриды. Из числа карбидообразующих элементов (Mn, Cr, Mo, V, W, Nb, Ti) практически целиком связаны в специальные карбиды Nb, V и Ti. Нитрообразователь Al обычно полностью связан в нитриды и неметаллические включения. Mo и Cr частично входят в состав карбидной фазы, а отчасти они растворены в феррите. Относительно слабый карбидообразователь Mn не образует самостоятельных карбидов в стали и фактически целиком растворен в феррите. Следовательно, в низколегированных ферритно-перлитных сталях Mn, Si, Ni и P практически полностью растворены в феррите; W, V, Nb, Ti и Al полностью входят в состав карбонитридной фазы, а Cr и Мо распределены между ферритом и карбидами. Учитывая невысокую концентрацию Cr и Мо в низколегированных сталях и малые значения их коэффициентов упрочнения ki, влиянием этих элементов на прочность феррита можно пренебречь. Следовательно, основными легирующими элементами, определяющими твердорастворное упрочнение ферритно-перлитных сталей, являются Mn, Si, Ni, P и частично C + N. С учетом указанных допущений может быть оценено твердорастворное упрочнение этих сталей.
5.2 Дислокационное упрочнение.
Пластическая деформация металлов сопровождается образованием новых дислокаций, их определенным распределением, увеличением плотности. Возникающее при этом упрочнение определяют по формуле:
Для сталей с ферритной основой (о.ц.к. решеткой) параметры, входящие в приведенное выше уравнение, обычно составляют: М = 2,75; G = 84 ГПа; b = 0,25 нм. Коэффициент , зависящий от характера распределения и взаимодействия дислокаций при дислокационном упрочнении, равен 0,5.