Природа зміцнення стали

В даний час досить добре відомі основні шляхи зміни мікроструктури, що призводять до підвищення міцності будівельних сталей.

У найбільш загальному вигляді вони описані в роботі: підвищення щільності дислокацій; утворення твердих розчинів; зміна розміру зерна; освіту дисперсних частинок другої фази.
При підвищенні щільності дислокацій в результаті наклепу міцність стали зростає через появу полів напружень навколо скупчень дислокацій і прямої взаємодії дислокацій в процесі пластичної деформації. Зміцнення заліза при деформації на 10% становить приблизно 500 Н / мм2.
Утворення твердих розчинів характерно для легованих сталей. При цьому зміцнення фериту викликано різницею в атомних розмірах заліза і легуючого елемента, їх пружних постійних, а також хімічного і електричного взаємодій. При утриманні в стали до 2% Mn і до 1% Si міцність фериту можна підвищити на 150-200 H / мм2.
Межі зерен в будівельних сталях можуть мати різко різні природу і будову. У сталях з ферито-перлітною структурою зміцнення в результаті подрібнення зерна найбільш ефективно відбувається при поділі кристалів фериту большеугловимі межами. Термічно зміцнені стали характеризуються декількома системами кордонів зерен: большеугловимі межами дійсного аустенітного зерна, малокутових межами ферритного субзерна і т. П.
Особливо важливе значення для підвищення міцності будівельних сталей має механізм зміцнення частками другої фази. У будівельній стали присутній вельми широкий набір часток, що розрізняються між собою за своєю природою, твердості, розмірами, морфології, розподілу і т. Д. В першу чергу їх слід розділити на агрегатні, де частки другої фази оточені кількома зернами матриці, і дисперсні, де кожна частка повністю оточена однаково орієнтованої матрицею.
Інший тип агрегатних частинок, які можуть впливати на механічні властивості сталей високої міцності, – неметалеві включення. Однак зміцнюючого дії такі частки не роблять і тому тут не розглядаються.
Важливе значення для підвищення міцності будівельних сталей має зміцнення дисперсними частинками. У цьому випадку збільшення межі плинності залежить від числа частинок, їх розміру, характеру розподілу, відстаней між ними, ступеня невідповідності решіток матриці і виділилися частинок. Зміцнення визначається механізмом взаємодії смуг ковзання з виділилися частками.
На думку деяких авторів, з великого числа механізмів дисперсійного зміцнення найбільш прийнятним для розглянутих сталей є механізм Орована, запропонований для розрахунку зміцнення некогерентними частинками, розташованими на відстані значно більшу їх радіусу. Типовими частинками подібного виду в будівельній стали є дисперсні карбіди і карбонітриди ванадію і ніобію.
Для оцінки ефективності того чи іншого механізму зміцнення сталей необхідно проаналізувати схильність стали до крихким руйнуванням, обумовленим відповідним механізмом зміцнення.
Сталь руйнується в’язко, якщо ліва частина співвідношень менше правої, і крихке, якщо ліва частина більше. Тому при збільшенні характеристик в лівій частині нерівності і відповідно зменшення в правій частині зростає схильність стали до крихкого руйнування.
Розглянемо вплив різних хімічних елементів на характеристики крихкого руйнування. Найбільше охрупчіваюшее дію надають атоми впровадження, оскільки вони суттєво збільшують показники.
З легуючих елементів, що утворюють з залізом тверді розчини заміщення, найбільш інтенсивно підвищують температуру переходу в крихке стан фосфор і кремній – елементи, що забезпечують найбільший зміцнюючий ефект. Охрупчивание фериту цими елементами пов’язано з їх впливом на? 0. Крім того, фосфор і кремній ускладнюють поперечне ковзання, що призводить до збільшення k. Нарешті, фосфор сильно сегрегуючий по межах зерен, знижуючи?.
Позитивний вплив на хладостойкость стали нікелю і марганцю пояснюється головним чином тим, що вони послаблюють блокування дислокацій атомами азоту і вуглецю. Вплив марганцю, проте, простежити більш складно, так як він утворює сульфіди, здатні за певних умов сильно охрупчиваются сталь.
Разом з тим необхідно відзначити, що вплив легуючих елементів на характеристики руйнування слабкіше дії мікроструктури, чистоти стали, рівня міцності і істотно залежить від цих чинників. Наприклад, дані статистичного аналізу впливу елементів не підтверджують думки про сильний позитивний вплив нікелю і негативний вплив кремнію на цю характеристику.
Вплив наклепу на хладостойкость досить складно. За відсутності або при недостатній кількості атомів впровадження або дисперсних частинок, що закріплюють дислокації, наклеп сам по собі не викликає інтенсивного охрупчивания. Однак при закріпленні дислокацій високої щільності, як це спостерігається в звичайних сталях, охрупчивание може бути досить значним. Це пов’язано зі збільшенням до і сг0. Підраховано, що скупчення з 80 однойменних закріплених дислокацій досить для катастрофічного зниження опору стали зародженню тріщин. Природно, що наявність подібних скупчень на шляху поширення тріщини буде енергетично «підживлювати» її, знижуючи і опір поширенню тріщин в сталях.
Подрібнення зерна є єдиним методом зміцнення, що призводить до підвищення опору стали крихким руйнуванням. Дійсно, з подрібненням зерна зменшується довжина дислокаційних скупчень, а отже, і концентрація напружень біля кордонів, особливо при большеугло-вих разоріентіровках. У низьколегованих сталей зменшення розміру зерна на один бал знижує порігхладноломкості на 10-20 ° С.
Тверді розчини мають більш високу температуру рекристалізації, ніж чисті метали. Тому при однаковому режимі термічної обробки леговані стали мають більш дрібне зерно, ніж вуглецеві. Частинки другої фази, як правило, стримують зростання зерен. Нікель також ефективно подрібнює зерно, хоча і не утворює стабільних сполук з домішками впровадження. Подрібнюється зерно і при легуванні кремнієм. Зміна розмірів зерна під впливом легуючих елементів, що містяться в твердому розчині, може істотно вуалювати їх вплив або вплив дисперсних частинок на температуру переходу стали в крихке стан.
Розглянемо вплив частинок другої фази на хладостойкость металу.
В роботі на зразках з F-образним надрізом було оцінено вплив перлитових колоній на характеристики руйнування сталей. Встановлено, що при збільшенні об’ємної частки перліту підвищується температура переходу стали з вузького в крихке стан, розширюється температурний інтервал цього переходу, зменшується ударна в’язкість у в’язкій області; при цьому ударна в’язкість в тендітній області змінюється слабо. Несприятливий вплив перліту обумовлено його дією як концентратора напружень. Автори роботи встановили кількісний вплив перліту на перехід ферріто-перлітних сталей з в’язкого стану в крихкий. Як критерій в’язкості ними обрана температура, відповідна змістом 50% волокнистої складової в зламі зразків з F-образним надрізом.

 

Зміст вуглецю в стали слід підтримувати на максимально низькому рівні. Збільшення вмісту перліту, як правило, супроводжується зменшенням опору стали руйнування.

Когерентні і полукогерентние жорсткі частинки повинні посилювати крихкість матриці, оскільки вони збільшують к. Крім того, діючи як концентратори напружень, вони зменшують опір стали зародженню тріщини. Добре відомо, що істотно охрупчиваются матеріал великі частки, що випадають на межі зерен, вони знижують енергію.
Автори роботи відзначають, що строчечного виділення карбіду ванадію, особливо по межах зерен, призводять до суттєвого підвищення порога хладноломкости. Тому вони вважають більш доцільним легувати низьковуглецевих сталі азотом і нітрідообразующімі елементами, оскільки нітрид ванадію виділяються по межах аустенітних зерен в значно меншій мірі, ніж карбіди ванадію.
Великий інтерес представляє дію дисперсних частинок, зміцнюючих матрицю. Зазвичай вважають, що дисперсні частинки охрупчиваются матрицю; однак загальне дію їх на хладостойкость сприятливо через ефект подрібнення зерна. З точки зору стимулювання крихкого руйнування більш небезпечні частинки MnS еліпсовою форми, що діють як гострі надрізи. На практиці спостерігалися випадки крихкого руйнування м’якої сталі при кімнатній температурі під дією таких частинок. Однак частинки сферичної форми призводять до незначного охрупчіванію стали. таким разом, механізми зміцнення неоднозначно впливають на схильність стали до крихкого руйнування. Подрібнення зерна є універсальним методом, що підвищує не тільки міцність, але і опір стали крихкому руйнуванню. Зміцнення ж стали, викликане підвищенням щільності дислокацій, особливо при сильній блокування останніх, призводить до різкого охрупчіванію матеріалу. Тому стали з однаковою міцністю можуть мати зовсім різне опір крихкому руйнуванню, якщо відповідний рівень міцності досягається в результаті реалізації різних механізмів зміцнення.

Ссылка на основную публикацию