Термомеханическое упрочнение стали в заготовительном производстве.

Раздел ГРНТИ: Металловедение
А.К.Григорьев, Г.Е.Коджаспиров.
Машиностроение, 1985 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.

Упрочнение дисперсными частицами второй фазы может быть осуществлено в а-железе и аустените при выделении из пересыщенных твердых растворов самых разнообразных растворенных в них элементов.

Роль дисперсных частиц второй фазы заключается в том, что они препятствуют движению дислокаций. Однако, если бы даже напряжение, необходимое для того, чтобы заставить дислокации пройти через дисперсные включения второй фазы, равнялось напряжению, необходимому для движения дислокаций в основе сплава (матрице), все равно имело бы место некоторое упрочнение сплава, так как после прохождения дислокации система характеризуется наличием большого количества связен типа матрицаматрица или включение — включение. Для создания такого состояния необходимо затратить дополнительную энергию. Эффект упрочнения пропорционален объему, занимаемому дисперсными включениями второй фазы, и может быть увеличен усилением сил связей в выделениях второй фазы, что достигается изменением химического состава в направлении, обеспечивающем получение более стабильной второй фазы. Объем содержащихся в сплаве включений второй фазы лимитируется растворимостью элементов при температуре закалки. Если же прочность дисперсных включений второй фазы превысит некоторое критическое значение, то дислокации не будут больше проходить через них, а будут стремиться обойти их посредством поперечного скольжения.
Уровень прочности, достигаемый при упрочнении сплава дисперсными частицами, очень трудно оценить теоретически. Однако для большого числа разнообразных сплавов предел текучести в этом случае увеличивается в 10 раз по сравнению с пределом текучести основы сплава. Кроме того, прочность основы сплава может быть дополнительно увеличена легированием элементами, образующими твердые растворы замещения.
Как правило, при изучении механизмов упрочнения стараются изучать простые системы сплавов. Вопрос о совместном влиянии различных механизмов упрочнения пока еще недостаточно хорошо изучен.
Кроме вышеуказанных механизмов упрочнения, можно назвать еще упрочнение в результате образования мартенсита, упрочнение при отпуске (старении) мартенсита, упрочнение после облучения, а также установленные в последние годы такие механизмы упрочнения, как субструктурное, создание фрагментации, обусловленной действием ротационных мод пластической деформации [9, 52].
Таким образом, прочность стали можно увеличить следующими способами:
повышением плотности дислокаций;
легированием элементами, образующими твердые растворы внедрения или замещения и вызывающими искажение решетки растворителя;
перераспределением атомов растворенного вещества для создания упорядоченной структуры; уменьшением размера зерна;
созданием дисперсной второй фазы в матрице сплава; созданием препятствий движению дислокаций типа границ двойников;
усилением локальных искажений решетки путем облучения стали нейтронами или легирования ее делящимися элементами;
созданием фрагментированной субструктуры.
При увеличении плотности дислокаций, уменьшении размера зерна и введении дисперсных частиц второй фазы временное сопротивление у чистого железа можно повысить до значений 1400 МПа. Сочетая различные методы упрочнения, описанные выше, можно достичь и более высокого уровня временного сопротивления, однако вопрос о том, в какой мере каждый из механизмов упрочнения может быть использован при их комбинировании, до сих пор окончательно не решен.
1.2
Термомеханическая обработка и ее разновидности
Известно, что одним из наиболее перспективных направлений повышения прочности является создание в кристаллической решетке обрабатываемого объекта особых структурных несовершенств, способствующих развитию эффекта упрочнения [30]. Такие структурные несовершенства могут быть получены в результате пластической деформации или термической обработки.
Наибольший интерес представляет комбинированное применение этих способов упрочнения, называемых в литературе термомеханической обработкой. По определению М. Л. Бернштейна [6, 7], термомеханическая обработка (ТМО) — это совокупность операций деформации, нагрева и охлаждения (в различной последовательности), в результате которых формирование окончательной структуры металлического сплава, а следовательно, и его свойств, происходит в условиях повышенной плотности несовершенств строения, созданных пластической деформацией.
Основными Факторами, способствующими упрочнению металлов и сплавов при таком комбинированном воздействии, являются увеличение плотности дислокаций и более равномерное их распределение по объему металла по сравнению с отожженным состоянием; создание дислокационных барьеров в виде границ зерен, двойниковых границ, дисперсных вторичных фаз, леса дислокаций и т.д.; уменьшение размера зерен и образование субструктуры заблокированными дислокационными границами; увеличение степени дисперсности вторичных фаз; фазовые превращения в материале с предварительно созданной субструктурой [40]. К настоящему времени известно несколько схем разновидностей термомеханической обработки [7]: низкотемпературная схема (НТМО), высокотемпературная (ВТМО), механико-термическая (МТО) и т. д. (табл. 1.1).
В последнее время утвердилось мнение, что получившая распространение контролируемая прокатка также является разновидностью ТМО [46].
Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) представляет собой совмещение ступенчатой закалки с деформацией аустенита на ступени изотермической выдержки. При НТМО сталей, закаливаемых на мартенсит, переохлажденный аустенит деформируют в области его повышенной устойчивости, но обязательно ниже температуры начала рекристаллизации, и затем превращают его в мартенсит (см. табл. 1.1). После этого проводят низкий отпуск. Этот процесс, названный аусформингом, позволил повысить предел прочности конструкционных легированных сталей до 2800—3300 МПа при б =5 - 7 %. Показатели пластичности и ударной вязкости получались не ниже, а в некоторых случаях даже выше, чем после обычной термообработки, обеспечивающей <7В = 1800 -т- 2200 МПа. Холодной деформацией нельзя сильно упрочнить сталь с мартенситной структурой, так как мартенсит,