0. Содержание элементов, %

   - элементы, образующие твердые раст­воры внедрения; 2 - ферритообразующие элементы, растворяющиеся по типу заме­щения; 3 - аустенитообразующие элемен­ты, растворяющиеся по типу замещения

ренные легирующие элементы могут снижать температуру пре­вращений стали, что, в свою очередь, меняет структуру, размер зерен и плотность дислокаций. Связь твердорастворного упрочне­ния с другими механизмами затрудняет точное количественное определение его вклада в прочность металла.

Твердорастворное упрочнение оказывает отрицательное влия­ние на пластичность и вязкость стали. При этом растворы внедре­ния обладают худшими пластическими свойствами, чем растворы замещения. Из рис. 4.14 видно, что все легирующие элементы повышают твердость феррита. При этом Сг и особенно Ni почти не уменьшают вязкость стали. Никель наиболее сильно снижает по­рог хладноломкости. Кроме того, Ni, Сг, Мп и некоторые другие элементы, хорошо растворимые в аустените, повышают его устой­чивость при охлаждении, тем самым увеличивая прокаливае- мость стали. Наиболее эффективно увеличивают прокаливаемость Ni и Сг при одновременном введении в сталь, т. е. при комплекс­ном легировании.

Возможность достижения высокой прочности, пластичности, вязкости и прокаливаемости делает Ni и Сг важнейшими леги­рующими элементами в высоко- и среднелегированных сталях.

Влияние легирующих элементов на свойства аустенитных кор­розионностойких сталей отличается от их влияния на свойства сталей на ферритной основе (рис. 4.15). Это связано с их влиянием на энергию дефектов упаковки. Снижение энергии дефектов упа­ковки при легировании стабилизирующими феррит элементами, такими как Si, Mo, V, Сг и другими, подавляет поперечное скольжение и соответственно снижает пластичность. Легирование никелем и медью, наоборот, приводит к увеличению энергии де­фектов упаковки и пластичности. При оптимальном подборе со­става твердого раствора аустенитных сталей может быть достиг­нута свойственная таким сталям высокая пластичность.

Дислокационное упрочнение

Упрочнение металлов при пластической деформации, или дис­локационное упрочнение Ао_д, обусловлено образованием новых дислокаций и увеличением их плотности. Это приводит к тому, что перемещению дислокаций начинают препятствовать сами же дислокации. По словам Коттрелла, такой эффект легко понять, если представить себе крупный железнодорожный узел, пропуск­ная способность которого в определенном направлении уменьша­ется при интенсификации движения по всем остальным направ­лениям. Упрочнение связано с плотностью дислокаций следую­щим выражением:

Лст_д = Ryfp,

где р ^_ плотность дислокаций, К - постоянная, включающая в себя мо­дуль сдвига, вектор Бюргерса и зависящая от характера распределения и взаимодействия дислокаций в конкретном сплаве.

Величина коэффициента К для сталей с ферритной основой в 1,5-2,5 раза меньше, чем для аустенитных сталей. Поэтому ау- стенитные стали в результате пластической деформации при оди­наковой плотности дислокаций получают значительно большее упрочнение по сравнению с ферритными сталями.

В феррито-перлитных сталях при обычной плотности дисло­каций р = 10⁹ см ² дислокационное упрочнение невелико и по не­которым данным Ао_д не превышает 30 МПа. Существенный рост плотности дислокаций (до р = 10¹² см~²) приводит к критической концентрации напряжений в ОЦК решетке и вероятному образо­ванию трещин и разрушению.

Если для феррито-перлитных сталей компонента дислокаци­онного упрочнения невелика и ею можно пренебречь, то в случае аустенитных сталей даже при той же плотности дислокаций ее вклад значительно выше, а при больших значениях р - тем более.

Дислокационное упрочнение, как правило, отрицательно влияет на пластические и вязкие характеристики стали. Увели­чение плотности дислокаций снижает пластичность при растяже­нии, уменьшает ударную вязкость и повышает критическую тем­пературу вязко-хрупкого перехода, что часто нежелательно. Рав­номерно распределенные дислокации оказывают менее вредное действие на ударную вязкость, чем их скопления.

Предварительная деформация может не только повышать, но и снижать прочность. При последующем нагружении в противо­положном направлении пластическое течение возникает при более низком напряжении - эффект Баушингера. Эффект Баушингера объясняется тем, что в результате предварительной деформации в материале создаются поля внутренних напряжений, которые на­кладываются на приложенное напряжение и облегчают течение при приложении нагрузки в противоположном направлении.

Упрочнение дисперсными выделениями

Принято считать, что упрочнение дисперсными частицами, или дисперсионное упрочнение Аст_{д у}, имеет наибольшее значение для цветных металлов, в частности для дуралюминов, сплавов на основе кобальта, никеля, меди. Однако в последние годы разрабо­таны новые сплавы на основе железа, прочность которых в значи­тельной мере определяется дисперсионным твердением. Широкое применение нашли микролегированные конструкционные стали и мартенситно-стареющие стали. Микролегированные конструк­

ционные стали содержат небольшие количества Ti, V, Zr, Nb, ко­торые образуют с углеродом и азотом твердые дисперсные части­цы карбонитридов. Растворенный в железе алюминий образует с азотом твердые частицы A1N.

Состав мартенситно-стареющих сталей подобран таким обра­зом, что при старении в безуглеродистой мартенситной матрице образуются твердые интерметаллидные соединения типа Ni₃Ti, FeAl и др., способствующие упрочнению.

Частицы второй фазы действуют как препятствия движению дислокаций в кристаллической решетке. Различают два вида вы­делений. К первому относятся мелкодисперсные выделения, сохра­няющие связь с матрицей, - когерентные или частично когерент­ные частицы, которые перерезаются дислокациями (перерезаемые частицы). Для движения дислокаций в этом случае требуется до­полнительное усилие, необходимое для прохода сквозь области с разной энергией дефектов упаковки.

Потеря когерентности и идеального сопряжения решеток мат­рица - выделение приводит к изменению характера движения дис­локаций. Некогерентные выделения образуются на более поздних стадиях распада твердого раствора, они обычно крупнее когерент­ных и характеризуются большей жесткостью и большими расстоя­ниями между собой, значительно превышающими их диаметр. Дислокации под действием приложенного напряжения выгибают­ся между частицами и проходят дальше, оставляя кольца дисло­каций вокруг частиц (рис. 4.16).

Наибольшее упрочнение при сохранении вязкости, пластично­сти и конструктивной прочности достигается при условии доста­точно высокой дисперсности частиц и их некогерентности с мат­рицей. Модуль сдвига частиц более чем в 2 раза больше модуля сдвига матрицы. Дислокации не перерезают и не деформируют частицы, а огибают некогерентные выделения с увеличением уров­ня напряжения (механизм огибания Орована). Чем меньше рас­стояние между дисперсными частицами, тем выше упрочнение.

Механизм упрочнения феррито-перлитых сталей обусловлен тем, что деформация начинается в феррите, а перлитные колонии

а

5

препятствуют движению дислокаций. Чем больше перлитной составляющей, чем выше ее дисперсность и меньше

Рис. 4.16. Схема огибания частиц дислокаци­ей по механизму Орована:

а - прогиб дислокационной линии между частицами; б - дислокационные петли вокруг частиц после обхода дислокацией частиц

расстояние между отдельными пластинками цементита, тем выше степень упрочнения.

Однако, увеличивая прочность, перлит резко отрицательно вли­яет на ударную вязкость и повышает температуру вязко-хрупкого перехода.

Зернограничное упрочнение

Уменьшение размеров зерен способствует росту предела теку­чести. Движущиеся дислокации не могут пройти через границы зерен, и передача деформации происходит методом эстафеты - путем возбуждения дислокационных источников, расположенных по другую сторону границ.

Влияние величины зерна на предел текучести может быть описано уравнением Холла - Петча:

сг_т = ст₀ + kd~^1/2,

где сг₀ - напряжение трения решетки; k - коэффициент, величина которо­го численно определяет сопротивление границ зерен данного металла движению дислокаций; d - средний размер зерен.

Кроме того, необходимо учитывать, что зерно - это не моно­литный кристалл, построенный из строго параллельных атомных слоев. Зерно состоит из отдельных блоков, кристаллографические плоскости в которых повернуты одна относительно другой на не­большой угол (порядка нескольких угловых минут). Такое строе­ние зерна называют мозаичной структурой, а составляющие ее блоки - блоками мозаики. Блоки могут быть объединены в более крупные агрегаты — фрагменты, которые разориентированы один относительно другого на угол в несколько градусов. Образование малоугловых субграниц внутри зерна может приводить к допол­нительному упрочнению.

Коэффициент k для аустенитных сталей имеет примерно вдвое меньшую величину, чем для феррито-перлитных сталей. Кроме того, благодаря фазовой перекристаллизации стали с ферритной основой имеют значительно меньший размер зерен. Диаметр зер­на сталей на основе феррита после фазовой перекристаллизации составляет 10-30 мкм, а в аустенитных сталях 70-100 мкм. Вслед­ствие этих факторов в аустенитных сталях эффект зерногранич­ного упрочнения значительно ниже, чем в сталях на основе а- железа.

Размеры ферритных зерен зависят от размеров исходных ау­стенитных зерен и присутствия карбонитридных фаз. При пере­ходе через критическую точку А_с3 эти фазы служат зародышами новых аустенитных зерен, а при дальнейшем нагреве тормозят их рост. При охлаждении и (у —» а)-превращении они же служат цен­трами образования новых зерен феррита. Таким образом, присутст­вие дисперсных частиц способствует измельчению ферритных зе­рен и вносит дополнительный вклад в зернограничное упрочнение.

Поэтому образование карбонитридных дисперсных фаз при микролегировании V, Nb, Zr, Ti одновременно способствует как дисперсионному, так и зернограничному упрочнению.

Уникальной особенностью зернограничного упрочнения явля­ется то, что при реализации этого механизма одновременно с уве­личением прочности происходит увеличение вязкости и пластич­ности стали. С измельчением зерна снижается температура вязко­хрупкого перехода и повышается сопротивление хрупкому раз­рушению.

Таким образом, основными факторами упрочнения сталей с феррито-перлитной структурой являются зернограничное (вклад 30-40 %), твердорастворное (25-40 %) и дисперсионное (25-30 %) упрочнение.