Основы упрочнения стали

Высокопрочные низколегированные стали, пред­назначенные для свар-ных конструкций обладают высокой прочностью, хорошей пластичностью, достаточной сопротивляемостью хрупкому разрушению и удовлетвори­тельной свариваемостью.

Чтобы удовлетворить всем этим требованиям приходится широко исполь-зовать различные системы легирования, технологические и металлургические факторы, сочетание которых обеспечи­вает получение необходимых свойств, предопределяющие область применения стали.

Способность поликристаллических металлов сопротивляться пластичес-кой деформации и разрушению обуслов­ливается их структурным состоянием.

Для эффективного повышения прочности стали используются структур-ные факторы: изменение величины зерна, формы и ориентации кристаллитов, перераспределение примесей, выделение новых фаз, создание или устранение субло­кальных несовершенств кристаллического строения и т. д.

Теория дислока­ций– теория несовершенств кристаллического строения, позволила научно обосновать принципиально воз­можные и эффективные пути повышения прочности стали исходя из ее структурного состояния .

Наличие дислокаций в кристаллической решетке ока­зывает решающее влияние на прочность реальных кри­сталлов. Движение дислокаций вызывает скольжение в кристаллах под действием сравнительно небольших усилий. Это свойство выделяет дислокации из ряда дру­гих несовершенств решетки.

Если в исходном материале существуют слабо закреп­ленные дислокации, текучесть начинается в результате их срыва. Если же они сильно блокированы, то текучесть на­ступает в результате генерации новых дислокаций в ме­стах кон-центрации напряжений.

На дислокационную структуру технических металлов и сплавов воздейс-твуют путем пластической деформации для получения необходимой плотности дислокаций и дру­гих несовершенств кристаллического строения. Под терми-ческим воздействием перераспределяются несовершен­ства кристалла, стабили-зируется структурное состояние, осуществляется необходимая перестройка кристалличе­ской решетки.

Изменяя дислокационную структуру металла или сплава можно сущест-венно влиять на их механические и физические свойства.

Повышение прочности стали связано с увеличение напряжений, приво- дящих дислокации в движение и yсиливающих их взаимодействие с другими дислокациями и микроструктурными составляющими. При деформации желе- за плотность дислокаций увеличивается. Дислокации взаимодействуют между собой и напряжения, необходимые для дальнейшего движения дислокаций, по-вышаются. Соответственно в мелкозернистой стали можно получить более высокую плотность дислокации, чем в крупнозернистой.

На практике повышения предела текучести α-железа достигают легиро- ванием его различными элементами, образующими твердые растворы замеще- ния или внедре­ния. Упрочнение создается искажением решетки раство­рителя атомами растворяющего элемента, в результате чего увеличивается напряжение трения, препятствующее движению дислокаций. Чем сильнее искажается ре-шетка и чем больше количество искаженных участков, тем выше общее упроч-нение металла.

Железо имеет аллотропическое превращение. Это позво­ляет не то-лько в широких пределах изменять размеры зерен, но и создавать наиболее бла-гоприятную, с точки зрения прочности, субмикроскопическую неоднородность тонкой структуры стали. Особенно благоприятны процес­сы ориентированной перестройки при мартенситном и бейнитном превращениях. В процессе мар-тенситного и бейнитного превращений происходит дробление зерен на фраг-менты и блоки, разориентированные друг отно­сительно друга, искажение крис-таллической решетки на границах субструктурных составляющих. Измельчение разориентацией субструктурных со­ставляющих, создает препятствия для пере-мещения дис­локаций, что способствует повышению прочности стали.

Существенное влияние на прочностные свойства стали оказывают элеме-нты, имеющие неодинаковую раствори­мость в аустените и феррите. Так, нап-ример, углерод, азот, бор легко растворяются в аустените, но ограниченно – в феррите. Поэтому при закалке стали можно получать сильно пересыщенные твердыерастворы. При выделении из пересыщенного твердого раствора дис-персных частиц второй фазы может быть осуществлено упрочнение сплава -железа карбидо- и нитридообразующими элементами. Распределение вклю-чений зависит от структуры в закаленном состоянии.

Механизм упрочнения сплава дисперсными частицами базируется на том, что частицы препятствуют движению дислокаций. Препят­ствия на пути движе-ния дислокаций требуют дополнительного напряжения для их преодоления. При равномер­ном распределении препятствий по объему металла увеличивает-ся его способность сопротивляться внешним нагрузкам вследствие повышения общей энергоемкости и увеличения количества микрообъемов, одновременно участвующих в деформации.

Упрочнение сталей мелкодисперсными включениями связано с особенно-стями их распределения в твердом растворе. Включения, равномерно распреде-ленные в металле, активно влияют на кристаллизацию металла, измельчение аустенитного зерна и искажения кристалло­графической решетки.

Перспективным направлением является применение технологии, обеспе-чивающей создание в стали субмикро­скопических включений нитридов алюми-ния, титана, цир­кония и др. Эти включения способствуют сильному измельче-нию структуры стали, а равномерное их распределение существенно затрудняет внутрикристаллическое сдвигообразование. Оба фактора способствуют резко-му повышению прочности и вязкости стали.

Измельчение зерен под влиянием нитридов и связан­ное с этим резкое повышение прочности известно доста­точно давно (рис. 1). Однако лишь в последние годы начали выплавлять сталь, содержащую нитриды.

Рисунок 1- Влияние содержа­ния нитрида алюминия на предел текучести низко­углеродистой стали

Мартенситное пре­вращение является наиболее эффективным методом уп-рочнения стали, обеспечивающим сочетание высокой прочности с достаточной пластичностью (рис. 2).

Рисунок 2– Влияние темпера­туры фазовых превраще­ний на структуру и пре­дел прочности низколеги­рованной стали.

Величина мартенситного зерна зависит от величины зерен аустенита. Чем меньше исходное аустенитное зер­но, тем мельче зерна образующегося мартен-сита. Мелко­зернистые стали пластичнее крупнозернистых. На проч­ность стали величина зерна влияет незначительно.

Наибольший интерес для сварщиков представляют низкоуглеродистые стали с игольчатым мартенситом. Эти стали имеют высокие не только прочнос-тные, но и пласти­ческие свойства. Важным является также то, что в низкоугле-родистой стали мартенситное превращение происхо­дит при относительно вы-соких температурах (выше 350°С) и сопровождается сравнительно низкими напряжениями второго рода (искажения второго рода связаны с упругой дефор-мацией микрообластей). Поэтому низкоуглеродистые стали проявляют незна-чительную склон­ность к образованию закалочных трещин.