Механизмы упрочнения сталей

1. Упрочнение в результате образования твердого раствора:

При образовании твердого раствора предел прочности, текучести и твердость повышаются при сохранении достаточно высокой вязкости. Это объясняется тем, что в неупорядоченном твердом растворе искаженные области решетки вокруг атомов растворенного элемента, находящихся в плоскости скольжения, затрудняют продвижение дислокаций. Упрочнение при образовании твердого раствора может быть определено по формуле Мотто – Набарро:

,

G – модуль сдвига, кгс/мм²; ε – параметр, зависящий от различия размеров атомов растворенного компонента r и растворителя r₀ (ε = (r- r₀)/ r₀); с – атомная концентрация растворенного компонента.

При образовании твердого раствора внедрения прочность во много раз больше, чем при образовании твердого раствора замещения.

2. Размер зерен:

Зависимость предела текучести от размера зерна описывается соотношением Холла – Петча:

,

где d – диаметр зерна; σ₀ и k – постоянные для данного металла.

Формула указывает на то, что эффективным барьером для движения дислокаций в металлах является межзеренная граница. Это объясняется тем, что при переходе через границу изменяется ориентировка плоскости скольжения, а сама граница представляет собой область неупорядоченного расположения атомов.

3. Влияние частиц второй фазы на упрочнение:

Влияние зависит от того, деформируются частицы или нет во время пластического течения сплавов.

Деформируемые частицы. Упрочнение происходит в результате работы, совершаемой дислокацией при перерезании частицы. Эта работа необходима для образования новой поверхности раздела между частицей и матрицей, а также для перестройки межатомных связей внутри самой частицы, которые в свою очередь зависят от степени порядка в частице.

С учетом различных вкладов в упрочнение деформируемых частиц прирост критического напряжения сдвига (Δτ) для сплава определяется следующим выражением:

,

k – постоянная, включающая в себя модуль сдвига и вектор Бюргерса; m, n – постоянные величины; δ – параметр размерного несоответствия между частицей и матрицей; f – объемная доля частиц; r – радиус сферического выделения.

Недеформируемые частицы. В сплавах с недеформируемыми частицами происходит образование дислокационных петель вокруг частиц, если приложено достаточное для этого напряжение. Оставив вокруг, частиц петли, дислокации продолжают скользить в прежнем направлении (эти петли или кольца, естественно, препятствуют движению новых дислокаций). Критическое напряжение (предел текучести σ_т) проталкивания дислокации обратно пропорционально расстоянию R между частицами:

,

где b - вектор Бюргерса дислокации; G - модуль сдвига матричной фазы (α-твердого раствора). По мере того, как расстояние между частицами уменьшается вследствие возникших петель или колец, напряжение, необходимое для продвижения дислокаций между ними, возрастает, что приводит к повышению напряжения сдвига (предела текучести). Упрочнение дисперсными частицами достигает 10^-2 G кгс/мм², но при нагреве до температуры 0,6 – 0,75 Tпл резко снижается.

Модель движения дислокаций в дисперсионно-твердеющих сплавах: а — перерезание дисперсной частицы скользящей дислокацией; б —выгибание и продвижение скользящей дислокации между частицами второй фазы с образованием петель.

4. Массивные частицы или комплексы второй фазы: Эффект обусловлен большими частицами или комплексами второй фазы, такими как перлит в углеродистых или низколегированных сталях. Частицы второй фазы активно участвуют в пластической деформации двухфазной структуры; и в случае перлитных и феррито-перлитных структур ферритные и карбидные составляющие перлита могут испытывать деформацию на различных ее стадиях.

Упрочнение в таких структурах может происходить вследствие упрочнения волокнами, когда одна фаза противостоит деформации и этим вызывает большую деформацию и упрочнение в другой фазе до тех пор, пока в ней самой не начнется процесс деформации; изменения прочности деформирующейся матрицы ввиду перераспределения легирующих элементов между двумя фазами; генерирования дислокаций в матрице вокруг частиц второй фазы с помощью различных механизмов.

5. Упрочнение дислокациями:

Схема зависимости сопротивления деформации от плотности и других дефектов в металлах: 1 – теоретическая прочность; 2 – 4 – техническая прочность (2 – усы; 3 – чистые неупрочненные металлы; 4 – сплавы, упрочненные легированием, наклепом, термической или термомеханической обработкой)

Минимальная прочность определяется некоторой критической плотностью дислокаций а, приближенно составляющей 10⁶ – 10⁸ см^-2. Эта величина относится к отожженным металлам. Величина σ_0,2 отожженных металлов составляет 10^-5 – 10^-4 G.

Повышение прочности достигается: 1) созданием металлов и сплавов с бездефектной структурой; 2) повышением плотности дефектов (в том числе и дислокаций), затрудняющих движение дислокаций. В настоящее время удалось получить кристаллы, практически не содержащие дислокаций. Это нитевидные кристаллы небольших размеров: длиной 2 – 10 мм и толщиной от 0,5 – 2,0 мкм, называемые «усами», обладают прочностью, близкой к теоретической. (Так, например, предел прочности нитевидных кристаллов железа составляет 1300 кгс/мм², меди 300 кгс/мм² и цинка 225 кгс/мм², по сравнению с пределом прочности технического железа 30 кгс/мм², меди 26 кгс/мм² и цинка 18 кгс/мм²).

Связь между пределом текучести σ_т и плотностью дислокации и других дефектов ρ выражается формулой:

,

где σ₀ – напряжение сдвига до упрочнения (после отжига); b – вектор Бюргерса; α – коэффициент, зависящий от природы металла, его кристаллической решетки и структуры. Он определяется вкладом различных механизмов торможения дислокаций в общее упрочнение и имеет величину порядка 10^-1.

Плотность дислокаций не должна превышать 10¹²-10¹³ см^-2. При большей плотности в металле образуются трещины.