С измельчением зерна

Между тем основным критерием, по которому можно судить о применимости какого-либо нового способа повышения прочности, является величина одновременного повышения прочности и вязкости. Так как общее диспергирование структуры дает возможность достижения такого результата, то вклад величины зерна в прочность представляет особый интерес. В общем случае при увеличении прочности происходит уменьшение ударной вязкости. По-видимому, для получения высокопрочного состояния нужно искать какой-то компромиссный путь. Согласно одной из оценок, «полезная» прочность конструкционных материалов, вероятно, не будет превышать 350 кгс/мм² [ ]. Даже этот уровень прочности можно считать полезным лишь в том случае, если могут быть допущены большие упругие деформации при эксплуатации изделия из такой стали. Однако нагружение до таких высоких напряжений приводит к большому запасу упругой энергии, что определяет возможности нестабильного роста трещины. Дилемма прочность—вязкость может быть рассмотрена и с энергетических позиций: с повышением запасенной упругой энергии должна быстро увеличиваться и энергия, необходимая для распространения трещины, при условии, что существующие в металле микротрещины остаются стабильными.

При переходе из одного зерна в другое трещина часто меняет направление, разветвляется и теряет энергию. Следовательно, чем мельче зерно, тем менее вероятно развитие хрупкого разрушения, тем ниже Т_X.

Большое значение для обеспечения надежной работы деталей имеет чистота металла. Повышение чистоты стали, например, по сере, фосфору, кислороду приводит к существенному снижению температуры хрупко-вязкого перехода и увеличению вязкости разрушения.

Многие детали машин работают на изгиб и кручение, когда максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях, где часто располагаются концентраторы напряжений в виде подрезов, рисок, переходных сечений и т.д. При циклическом нагружении образование усталостной трещины происходит, как правило, на поверхности детали под действием растягивающих напряжений. Если создать на поверхности напряжения сжатия, то предел выносливости резко увеличивается и вместе с тем снижается чувствительность к концентраторам напряжений.

В настоящее время проблема формирования требуемых свойств поверхности выделяется в самостоятельную область — инженерию поверхности. В технике используют многочисленные методы поверхностной обработки, позволяющие целенаправленно создавать структуру поверхностных слоев. Улучшить качество поверхности и создать на поверхности слой с напряжениями сжатия можно механическими методами – полированием, алмазным выглаживанием, пластической деформацией поверхностных слоев путем обдувки дробью, обкатки роликами. При этом повышается прочность и предел выносливости.

Поверхностная закалка приводит к образованию в поверхностных слоях структуры мартенсита, удельный объем которого больше, чем ферритно-цемен-титной смеси, благодаря чему на поверхности формируются напряжения сжатия. Химико-термическая обработка (цементация, азотирование, нитроцементация, диффузионная металлизация), приводящая к изменению состава поверхностных слоев, также может формировать в них напряжения сжатия.

Влияние примесей. Наиболее распространенным конструкционным материалом являются углеродистые стали. Хотя основные компоненты этих сталей — железо и углерод, они являются многокомпонентными системами. Кроме железа и углерода, в стали всегда есть примеси, которые подразделяются на постоянные и скрытые. Постоянные примеси в стали — это кремний и марганец, сера и фосфор. Их присутствие обусловлено технологическими особенностями выплавки стали. Скрытыми примесями являются растворяющиеся в жидком металле газы — кислород, водород, азот.

Кремний и марганец добавляют для раскисления стали, и их количество определяется степенью раскисления. Они не ухудшают свойств стали, а, напротив, считаются полезными в определенных количествах. Конструкционные стали содержат кремния < 0,37 %, марганца — < 0,8 %, если эти элементы не вводятся в состав стали в качестве легирующих. Кремний и марганец растворяются в феррите, несколько упрочняя его, однако, при этом ухудшается обрабатываемость резанием. Кремний при раскислении образует силикаты SiO₂ — неметаллические включения, которые всегда присутствуют в некотором количестве в промышленных сталях. Кремний в количестве более 0,6 % значительно снижает пластичность стали.

Сера и фосфор относятся к вредным примесям. Сера, образуя с железом легкоплавкий (988 °С) сульфид железа FеS, вызывает красноломкость стали. Если в стали содержится марганец, то благодаря большему его сродству к сере, чем у железа, вместо сульфида железа образуется более тугоплавкий сульфид марганца (1620 °С), что приводит к устранению красноломкости. Наличие сульфидов мало влияет на прочность стали, но достаточно существенно — на вязкость, пластичность и предел выносливости. Работа зарождения трещины не зависит от содержания серы, а вязкость разрушения с увеличением содержания серы резко снижается (рис. ).

Сульфиды пластичны и легко деформируются, например, при прокатке. В результате возникает анизотропия свойств, которая особенно выражена в сталях, сильно загрязненных серой. Кроме того, сера ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Содержание серы в зависимости от качества стали не должно превышать 0,035...0,06 %.

Фосфор, растворяясь в феррите в очень небольших количествах, значительно влияет на его свойства. При увеличении содержания фосфора уменьшаются пластичность и вязкость феррита и резко повышается температура хрупко-вязкого перехода (рис.). Каждая сотая доля процента фосфора повышает Т_х на 20...25°С.

Рис. 10. Влияние серы на характеристики вязкости стали	Рис. 11. Влияние фосфора на тепературу вязко-хрупкого перехода

Кроме того, фосфор чрезвычайно склонен к ликвациям, из-за чего даже при очень небольшом содержании фосфора возможно образование фосфидной эвтектики, ухудшающей свойства стали. Фосфор является также причиной развития обратимой отпускной хрупкости. Поэтому содержание фосфора в сталях, в зависимости от качества стали допускается не более 0,025...0,045%.

Кислород, азот, водород всегда присутствуют в сталях в виде твердых растворов в железе, в виде молекул газов в дефектных участках металла или в виде оксидов, нитридов, гидридов. Наибольшую опасность представляет водород, атомы которого из-за резкого уменьшения растворимости водорода в железе при переходе γ-Fе в α-Fе имеют тенденцию скапливаться в дефектных местах стали и образовывать молекулы газа, что сопровождается резким увеличением объема, вызывающим локальное растрескивание металла и образование внутренних надрывов — флокенов. Водородная хрупкость более выражена в высокопрочном структурном состоянии, в связи с чем чувствительность к образованию флокенов возрастает с увеличением содержания углерода, особенно более 0,6 %. Вследствие чрезвычайно высокой диффузионной подвижности водорода его содержание в стали может возрасти в процессе эксплуатации в водородсодержащих средах и в ходе выполнения технологических операций, например, при травлении или при нанесении гальванических покрытий. Существенное снижение содержания водорода в стали достигается вакуумной плавкой или разливкой в вакууме.

Оксиды и нитриды относятся к неметаллическим включениям. Оксиды — хрупкие включения, которые в литых сталях имеют глобулярную форму, а после пластической деформации разрушаются с образованием строчек, состоящих из обломков первичных оксидов. При любой морфологии оксиды снижают пластичность стали и являются концентраторами напряжений, а строчечное расположение оксидов вызывает также анизотропию свойств, в особенности, ударной вязкости.