Пружинные стали и сплавы

Рахштадт А.Г.

Металлургия, 1982 г.

Глава II

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ СВОЙСТВ ПРУЖИННЫХ СПЛАВОВ

Повышение порога упругости, а также пределов микротекучести или упругости означает рост эффективности препятствий не только для необратимого, но и для обратимого движения дислокаций. Отсюда следует, что с повышением предела упругости при заданной величине приложенных напряжений не только уменьшается вероятность возникновения остаточной деформации при случайных перегрузках, но и в меньшей степени развиваются такие неупругие явления, как гистерезис и упругое последействие. Наконец, с повышением предела упругости возрастает и релаксационная стойкость сплавов. Можно также ожидать, что при высоком качестве упругого элемента и отсутствии в нем концентраторов напряжений его предел выносливости будет определяться величиной порога (предела) упругости.

По этим причинам основное внимание следует уделять процессам, повышающим предел упругости сплавов, отличающихся разной природой упрочнения: 1) мартенситному превращению; 2) деформационному наклепу; 3) образованию сегрегации в отдельных областях решетки или на дефектах решетки; 4) выделению второй высокодисперсной и более прочной фазы.

Теория дислокаций показывает, что изменения в строении металла на начальных стадиях пластической деформации, соответствующие пределу упругости (микротекучести), резко отличаются от изменений при значительной пластической деформации, отвечающих определению пределов текучести и прочности или твердости. Различное структурное состояние сплавов, возникающее при определении свойств, характеризующих сопротивление малым и большим пластическим деформациям, т. е. предела упругости и предела прочности (или предела текучести и твердости), проявляется, в частности, в том, что модуль упрочнения в области микропластической деформации значительно выше, чем при макропластической; различным оказывается и влияние величины зерна. Различие в структурном состоянии можно иллюстрировать и тем, что зависимость этих свойств в функции различных параметров обработки сплавов носит неодинаковый характер. Например, при небольших степенях наклепа предел упругости снижается вследствие размножения легкоподвижных дислокаций, а предел текучести растет. Если в процессе отпуска закаленной стали с ростом сто температуры или продолжительности пределы текучести и прочности снижаются почти непрерывно, то предел упругости сначала значительно возрастает вплоть до определенных температур (или при определенных выдержках в изотермических условиях) и лишь затем снижается. Легирование некоторых сплавов, в частности железа, также по-разному влияет на сопротивление металла малым и большим пластическим деформациям, причем обычно более сильно влияет на сопротивление большим пластическим деформациям.

Такое различие объясняется тем, что основные свойства пружинных сплавов в более сильной степени зависят от их тонкого строения — количества и главным образом распределения дефектов, атомов примесей и легирующих элементов, избыточных .фаз и т. д. — и от изменения этого строения при нагружении.

Для достижения высоких значений пределов прочности и текучести надо создать в сплаве высокое сопротивление в среднем для движения большинства дислокаций, тогда как для повышения сопротивления малым пластическим деформациям — основной характеристики пружинных сплавов — должны быть созданы препятствия для перемещения практически всех дислокаций. При этом необходимо использовать всевозможные средства, способствующие их эффективному торможению: легирование твердого раствора приводящее к повышению сопротивления кристаллической решетки движению дислокаций; деформационный или фазовый наклеп, в результате чего возникает определенная дислокационная внутризеренная структура; создание сегрегации на дефектах; введение дисперсных и равномерно или ориентировано распределенных частиц карбидной или интерметаллидной фазы; создание в высоколегированных сплавах определенной степени упорядочения.

По-видимому, решающим в данном случае является создание определенной субструктуры зерен, которую в первую очередь следует характеризовать плотностью и распределением дислокаций,  а также степенью их закрепления.

Справедливость этого положения экспериментально подтверждается тем, что на его основе разработаны новые составы и методы обработки, которые, как будет показано, обеспечивают получение высоких свойств пружинных сплавов.

Наиболее плодотворный путь повышения свойств известных пружинных сплавов и создания новых — сочетание различных методов упрочнения при обработке одного сплава. Эффективность применения комплексных методов упрочнения можно иллюстрировать на примере патентированной пружинной проволоки, характеризующейся, как известно, высоким сопротивлением малым и большим пластическим деформациям. Упрочнение патентированной проволоки достигается совместным действием фазового наклепа (хотя и небольшого) при перлитном превращении; ориентированностью частиц второй более прочной фазы (цементит) за счет повышенного содержания углерода; деформационным наклепом при волочении и старении при низкотемпературном отпуске.

Из комплексных методов упрочнения важное значение для пружинных сплавов имеет термомеханическая обработка. Эта обработка, основанная на совмещении по крайней мере двух основных механизмов упрочнения — за счет фазовых (или внутрифазовых) превращений и деформационного наклепа — эффективна для пружинных сплавов всех классов: однофазных твердых растворов, дисперсионно-твердеющих или закаливаемых на мартенсит.

Известно, что после деформационного наклепа дислокации распределяются неравномерно независимо от того, возникает при этом их ячеистая структура в результате сильно развитого поперечного скольжения или образуются плоские скопления дислокаций (если в металлах с г. ц. к. решеткой мала энергия дефектов упаковки). Следовательно, только один деформационный наклеп сплавов не может обеспечить высокого сопротивления малым пластическим деформациям. В связи с этим необходимо совмещение наклепа с последующей термической обработкой, в процессе которой достигается перераспределение дислокаций под действием термически активируемого поперечного скольжения и переползания и образуются полигонизованные субзерна. Малоугловые и асимметричные границы субзерен служат препятствием для движения дислокаций и не могут далеко перемещаться сами, когда они связаны и единую сетку или когда на пути их движения находятся препятствия. Такие субграницы (или границы) могут блокировать дислокации, генерируемые источниками при напряжениях, отвечающих пределу упругости. Поэтому образование субграниц, связывающих жткоподвижные дислокации в устойчивые системы, играющие роль препятствий, особенно важно для пружинных сплавов. Кроме того, в процессе термической обработки деформированных сплавовобразуется полигонизованная субструктура, а на субграницахусиливаются или возникают различные сегрегации из атомов растворенных компонентов. Эти изменения атомного распределенияили выделение избыточных фаз способствует упрочнению, особенно повышению сопротивления малым пластическим деформациям.

Анализ показывает, что совмещение деформационного наклепа п термической обработки для сплавов разного состава и разных структурных классов следует осуществлять в различной последовательности; виды термической обработки и условия деформации также могут различаться.

Для улучшения свойств многих пружинных сталей и сплавов особенно эффективно использование мартенситного превращения, которое вызывает сильное упрочнение благодаря одновременному действиюнескольких структурных процессов. Среди них — измельчение зерна; фазовый наклеп, приводящий к получению особойсильнофрагментированной субструктуры, созданной дислокациями и (или) внутренними двойниками; образование пересыщенного углеродом α-твердого раствора, в котором в процессе закалки или во время выдержки происходят процессы перераспределения атомов углерода. Эти процессы приводят к разупорядочению, образованию сегрегации на дислокациях или границах двойников или даже к выделению частиц карбидов.

Упрочнение за счет мартенситного превращения может быть дополнительно повышено в результате значительного измельчениязерна при повторной закалке стали с метастабильной структурой в условиях скоростного нагрева.

В последнее время несомненный интерес для пружинных и вообще для конструкционных сталей может представить процесс термической обработки, основанный на изотермической закалке особого рода с последующим отпуском. В процессе такой закалки во время изотермической выдержки в субкритическом районе температур в аустените образуются мельчайшие частицы, или, точнее, смешанные зоны типа карбидов. Эти зоны дополнительно упрочняют образующийся при охлаждении мартенсит, но, являясь в то же время полупроницаемыми для дислокаций, не вызывают хрупкости стали. Таким образом, упрочнение стали является результатом дисперсионного твердения переохлажденного аустенита и последующего