5.3 Дисперсионное упрочнение.
Для конструкционных сталей наилучшее совпадение с результатами эксперимента дает оценка дисперсионного упрочнения по механизму Орована – взаимодействия дислокаций с некогерентными частицами. В данном случае применение уравнения Орована объясняется следующим. В конструкционных сталях, имеющих ферритно-перлитную (горячекатаные нормализованные стали) либо сорбитную (закалка с высоким отпуском) структуру, дисперсионное упрочнение достигается за счет карбидов, нитридов и карбонитридов. Когда в стали прошел процесс «перестраивания», частицы полностью некогерентны с матрицей и поэтому достигается наилучшее сочетание прочности и вязкости. Объемная доля частиц в сталях практически всегда невелика (меньше 1%) и межчастичное расстояние намного больше размера самих частиц; модуль сдвига частиц в 2-3 раза больше модуля сдвига матрицы, поэтому дислокации огибают некогерентные выделения. Упрочнение за счет дисперсных частиц по Оровану рассчитывают по формуле
где
– расстояние между частицами (карбидами,
карбонитридами, нитридами, интерметаллидами).
Параметр непосредственно зависит от природы выделяющейся фазы, режима термической обработки и количества легирующего элемента в сплаве, что определяет степень пересыщения твердого раствора, размер выделений и т.д.
Поясним это на примере стали. Пусть одна сталь марки 40 легирована 2% Cr, а другая – 0,2% V. Как показывают опытные данные, после закалки и высокого отпуска в хромистой стали около половины всех атомов хрома выделяется в виде карбида (Cr, Fe)7С3 (остальные атомы хрома находятся в цементите и частично в феррите). В ванадиевой стали при такой обработке почти весь ванадий выделяется в виде карбида ванадия VC. При этом объемная доля (Cr, Fe)7С3 – около 2%, а объемная доля VC – на порядок меньше (0,35%). Однако размер частиц (Cr, Fe)7С3 в среднем равен 200 нм, а VC – 30 нм.
При этом межчастичное расстояние в хромистой стали ~ 1020 нм, а в ванадиевой ~ 360 нм. Дисперсионное упрочнение за счет карбида ванадия примерно в 3 раза больше, чем за счет карбида хрома. Таким образом, из рассмотренного примера видно, что легирование стали ванадием в количестве, в 10 раз меньшем количества хрома, позволяет получить значительно большую эффективность дисперсионного упрочнения. В этом примере природа упрочняющей фазы проявилась в размере частиц упрочняющей фазы, связанной с межчастичным расстоянием, являющимся главным фактором упрочнения.
В конструкционных сталях с ферритно-перлитной структурой при приложении нагрузки деформация начинает развиваться в феррите, а перлитные колонии являются "барьерами" для такой деформации. С этой точки зрения ферритно-перлитная структура может быть уподоблена структуре дисперсионно-упрочненной стали. Поэтому перлитную составляющую обозначим п и учтем ее вклад в предел текучести дополнительно к вкладу д.у. Количество перлитной составляющей, ее дисперсность, межпластинчатое расстояние и т.п. зависят от состава стали, устойчивости переохлажденного аустенита, скорости охлаждения, сечения проката и т.д. Вместе с тем, все эти параметры определяют механические свойства стали, в том числе предел текучести стали.
Во многих работах вклад перлитной составляющей в предел текучести стали с ферритной основой определяют путем умножения эмпирического коэффициента на долю перлита в стали. Значения этого коэффициента, по данным различных работы, находится в пределах 2,3 – 2,5 МПа / %. С учетом сказанного упрочнение за счет перлита следует определять по формуле
,
где П – содержание перлитной составляющей, %.