Термомеханическое упрочнение стали в заготовительном производстве.
А.К.Григорьев, Г.Е.Коджаспиров.
Машиностроение, 1985 г.
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 движениядислокаций в основе сплава (матрице), все равно имело бы место некоторое упрочнение сплава, так как после прохождения дислокациисистема характеризуется наличием большого количества связен типа матрица — матрица или включение — включение. Для создания такого состояния необходимо затратить дополнительную энергию. Эффектупрочнения 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 сплавевключений 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 упрочнениисплава дисперсными частицами, очень трудно оценить теоретически. Однако для большого числа разнообразных сплавовпределтекучести в этом случае увеличивается в 10 раз по сравнению с пределомтекучести основы сплава. Кроме того, прочность основы сплава может быть дополнительно увеличена легированием элементами, образующими твердые растворы замещения.
Как правило, при изучении механизмовупрочнения стараются изучать простые системы сплавов. Вопрос о совместном влиянии различных механизмовупрочнения 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, прочностьстали 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 движениюдислокаций 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 механизмовупрочнения 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 эффектаупрочнения [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 упрочнениюметаллов и сплавов при таком комбинированном воздействии, являются увеличение плотностидислокаций и более равномерное их распределение по объемуметалла 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 степенидисперсности 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 деформациейаустенита 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 пределпрочности конструкционных легированных сталей до 2800—3300 МПа при б =5 - 7 %. Показателипластичности 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,