Лекция 14. Оценка конструктивной прочности стали по параметрам структуры. Суперпозиция механизмов упрочнения

Как уже отмечалось, конструктивная прочность многих конструкционных материа­лов может быть охарактеризована пределом текучести стали и температурой перехода из вязкого состояния в хрупкое. Знание рассмотренных выше отдельных механизмов упрочнения позволяет провести количественную оценку предела текучести и изменения темпе­ратуры вязко-хрупкого перехода некоторых сплавов и сопоставить расчетные данные с экспериментальными. Большой материат. позволяющий правильно выбрать исходные данные для расчета, а затем критически сопоставить расчетные и прежде всего по малоуглеродистым (до 0.2-0.25 % С) низколегированным статям с ферритно-перлитной структу­рой широко применяемым в строительстве, а также в машиностроении. Интерес для такой оценки представляют стали и сплавы с аустенитной структурой, а именно: высоколегиро­ванные хромоникелевые. никелевые и другие стали, сплавы на никелевой, железоникелевой основах, мартенситно-стареющие стали и т.п. Оценка их упрочнения по различным механизмам также нашла освещение в литературе.

Исходными данными для количественной оценки прочности сплава служат данные о его химическом составе, распределении элементов между фазами и количественные пара­метры структуры (размер зерна, соотношение фаз. их размер, распределение и т.д.). В ос­нову такого расчета положены количественные соотношения установленные для каждого механизма упрочнения. По-видимому, подобные расчеты носят скорее не количественный, а полу количественный или даже качественный характер, так как множество упущений и упрощений в теории самих механизмов, также очень сложное поведение дислокаций в реальных сталях не поддаются строгой количественной оценке. Но все же проведение подобных расчетов необходимо хотя бы для выявления роли отдельных механизмов упрочнения в формовании основных свойств стали. Решение таких задач позволяет приблизиться к решению одной из главных проблем металловедения - количественной связи структуры и свойств сплава. Прежде чем рассматривать роль каждого механизма упрочнения в изменении прочности и запаса вязкости сталей и сплавов. необходимо рассмотреть супер позиции механизмов, т.е. суммарный эффект от совместного воздействия нескольких независимых механизмов упрочнения.

Суперпозиции механизмов упрочнения. В уравнении Холла-Петча σ_т= σ + K_vd^-½ заложена линейная зависимость между внутрезеренным упрочнением (σ_i) и зернограничным упрочнением (∆σ₃= Kyd^-½). В свою очередь внутрезеренное упрочнение данного сплава, т.е. его предел текучести без учета вклада, границ зерен, можно представить также состоящим из нескольких слагаемых, каждое их которых обуславливает вклад к него того или иного механизма упрочнения. Следовательно, влияние отдельных механизмов упроч­нения аддитивно. Принцип аддетивности механизмов к настоящему времени подтвержден на многих сталях и сплавах различными исследователями. В большинстве случаев отме­чается линейная аддитивность, т.е. вклад отдельных механизмов в общее упрочнение суммируется:

n

σ_т= ∑σ_j, (23)

j=l

где n - число действующих в сплаве j - механизмов упрочнения.

Можно полагать, что в различных сталях и сплавах действуют следующие главные механизмы упрочнения:

σ₀ - сопротивление решетки металла движению свободных дислокаций (напряжение трения решетки или напряжение Пирласа-Наббаро);

∆σ_т.р. - упрочнение твердого раствора растворенными в нем легирующими элемента­ми и примесями (твердорастворное упрочнение);

∆σ_д - упрочнение, обусловленное сопротивлением скользящей дислокации другим дислокациям в кристалле (дислокационное упрочнение);

∆σ_ду - упрочнение, вызванное образованием дисперсных частиц второй фазы при распаде пересыщенного твердого раствора (дисперсионное упрочнение);

∆σ_з- упрочнение границами зерен и субзерен (зернограничное упрочнение).

В различных сталях и сплавах вклад отмеченных механизмов упрочнения в предел текучести будет различным. Кроме того, каждый из главных механизмов может воздейст­вовать по разным причинам. Так. твердорастворное упрочнение в α-железе в основном обусловлено блокированием дислокаций атмосферами из атомов внедрения, тогда как в легированном феррите и аустените упрочнение происходит за счет создания локальных внутренних напряжений при замещении атомов железа атомами легирующего элемента с другими размерами и свойствами. Дислокационное упрочнение в одних статях в основ­ном может быть обусловлено дислокациями леса, а в других - дефектами упаковки, барь­ерами Ломер-Котгрелла и др. Дисперсионное упрочнение вызывается как когерентными, так и некогерентными выделениями, и эффективность упрочнения в этих случаях сущест­венно отличается. Зернограничное упрочнение в отдельных сплавах различное из-за раз­личной разориентировки границ, различного их строения, т.е. из-за барьерного воздейст­вия на торможение дислокаций: в ряде сплавов возможно образование полигональных границ и проявление эффекта субструктурного упрочнения. Таким образом, при анализе указанных механизмов применительно к конкретной группе сталей необходимо уточнить действующие факторы каждого из главных механизмов упрочнения. В соответствии с принципом линейной аддитивности внутризеренное упрочнение для перечисленных главных механизмов составит:

σ_i= σ_o- ∆σ_тр + ∆σ_д + ∆σ_ду (24)

а предел текучести поликристаллического сплава:

σ_т = σ_o + ∆σ_тр + ∆σ_д+ ∆σ_{д у} + ∆σ_з, (25)

Кокс рассмотрел суперпозиции механизмов упрочнения исходя из статической тео­рии напряжения течения. Согласно этой теории, препятствия в реальных материалах расположены неравномерно, т.е. плотность их расположения различная в разных местах. Раз­личаются препятствия и по величине воздействия на движущуюся дислокацию. Когда на­пряжение течения определяется двумя механизмами, то возможны два случая: 1) наличие большого числа слабых препятствий и небольшого числа сильных препятствий, т.е. σ₁>> σ₂; 2) одинаковая плотность примерно равнопрочных препятствий, т.е. σ₁≈σ₂. Если дис­локационный сегмент удерживается между сильными препятствиями, то по мере возрас­тания напряжения дислокация преодолевает многие слабые препятствия, встречающиеся на ее пути. Критическое напряжение наступит тогда, когда дислокационный сегмент од­новременно преодолеет слабое и сильное препятствие внутри зерна. В этом случае напря­жение течения внутри зерна представляет собой сумму напряжений, необходимых для каждого из механизмов отдельно, т.е. суперпозицией таких механизмов будет линейная аддитивность:

σ_i = σ₁ + σ₂ при σ₁>>σ₂ (26)

Если прочности двух препятствий внутри зерна подобны, то такие препятствия будут преодолены постепенно (последовательно)? Для двумерной структуры среднее расстояние между препятствиями равно корню квадратному из средней площади, приходящейся на точечное препятствие в плоскости скольжения. В этом случае выполняется аддитивность плотностей двумерных препятствий или квадратов напряжений течения:

σ_i = σ₁² + σ₂² при σ₁ σ_i= σ₁+ σ₂; при σ₁≈ σ₂; (27)

Рассмотрим положения теории Кокса в общем виде. Обычно все препятствия в конкретном случае можно разделить на две группы: слабые и сильные. Если в сплаве действует к-число слабых препятствий σ_р и m-число сильных препятствий σ_q, то, сгруппировав все слабые и сильные препятствия, получим, что внутри групп равнопрочных препятствий суммирование нужно провести по принципу аддитивности квадратов напряжений, т.е. по формуле (27), а суммирование между группами разнопрочных препятствий - по принципу линейной аддетивности. т.е. по формуле (26). Тогда по Коксу внутризеренное упрочнение равно:

k m

σ_i = (∑σ_p²)^½ + (∑σ_g²)^½ (28)

p=1 q=l

а предел текучести сплава равен:

k m

σ_T = (∑σ_p²)^½ + (∑σ_g²)^½ + k_yd^½. (29)

р=1 q=l

Таким образом, суммарный эффект от совместного воздействия нескольких независимых механизмов упрочнения может быть определен двумя способами: по принципу ли­нейной аддитивности - формула (23) по принципу аддитивности квадратов напряжений течения - формула 29.