Пути повышения прочности металлов

Увеличение прочности (s_В, s_0,2) и сопротивления усталости (s_-1) металлов и сплавов при сохранении достаточно высоких пластичности (d, y), вязкости (KCU, КСТ) и трещиностойкости (К_1С) повышает надежность и долговечность машин (конструкций) и понижает расход металла на их изготовление вследствие уменьшения сечения деталей.

Увеличение прочности достигается созданием соответствую­щих сплавов и технологии обработки. При этом про­исходит изменение состава и природы фаз, образующих сплав, их количества и размера, характера распределения дислокаций и других дефектов кристаллического строения. Поэтому устанав­ливают связь между структурой и конструктивной прочностью металлов и сплавов.

Ниже рассмотрены различные механизмы упрочнения метал­лов и сплавов.

Принято различать техническую и теоретическую прочность металлов.

Техническую прочность определяют описанные выше свой­ства (s_0,2, s_в, s_-1, Е, и др.).

Под теоретической прочностью понимают сопротивление де­формации и разрушению, которое должны были бы иметь матери­алы согласно физическим расчетам с учетом сил межатомного взаимодействия и предположения, что два ряда атомов одновре­менно смещаются относительно друг друга под действием напря­жения сдвига.

Исходя из кристаллического строения и межатом­ных сил, можно ориентировочно определить теоретическую проч­ность металла по следующей формуле:

t_теор = G/(2p), (35)

где G - модуль сдвига (коэффициент пропорциональности между касательным напряжением t и относительным сдвигом g (t = Gg)).

Рис. 46. Схема зависимости сопротивления деформации от плотности

дислокаций и других дефектов кристаллического строения металлов:

1 - теоретическая прочность; 2 - 4 - техническая прочность (2 – «металлические усы»; 3 - чистые

неупрочненные металлы; 4 - сплавы, упрочненные легированием, наклепом, термической

или термомеханической обработкой)

Теоретическое значение прочности, рассчитываемое по ука­занной формуле, в 100…1000 раз больше технической прочно­сти. Это связано с дефектами в кристаллическом строении, и, прежде всего с существованием дислокаций. Прочность ме­таллов не является линейной функцией плотности дислокаций (рис. 38).

Как видно из рис. 46, минимальная прочность определяется некоторой критической плотностью дислокации a, приближенно составляющей 10⁶…10⁸ м^-2.

Эта величина относится к отожжен­ным металлам.

Повышение прочности достигается:

1. созданием металлов и спла­вов с бездефектной структурой;

2. повышением плотности дефектов (в том числе дислокации), затрудняющих движение дислокации.

Если плотность дислокации (количество дефектов) меньше ве­личины a (рис. 46), сопротивление деформации резко увеличива­ется и прочность быстро приближается к теоретической.

В настоящее время удалось получить кристаллы, практически не содержащие дислокации. Эти нитевидные кристаллы неболь­ших размеров (длиной 2…10 мм и толщиной 0,5…2,0 мкм), назы­ваемые «металлическими усами», обладают прочностью, близкой к теоретической. Так, предел прочности нитевидных кристаллов железа составляет 13000 МПа, меди 3000 МПа и цинка 2250 МПа, по сравнению с пределом прочности технического железа 300 МПа, меди 260 МПа и цинка 180 МПа.

Увеличение размеров усов сопровождается резким снижением прочности, что ограничивает их использование. Они нашли при­менение для армирования волокнистых композиционных материа­лов, в микроэлектронике, для микроподвесок и микро­растяжек и т. д.

При возрастании количества дефектов свыше 10⁶…10⁸ м^-2 (см. рис. 38) происходит упрочнение металла вследствие взаимо­действия дислокации и торможения их движения.

Связь между пределом текучести s_Т, и плотностью дислокации r может быть описана уравнением

(36)

где s₀ - напряжение сдвига до упрочнения (после отжига);

b - вектор Бюргерса;

a - коэффициент, зависящий от природы металла, его кристаллической решетки и структуры.

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

Сопротивление пластической деформации (s_Т, s_в) тем выше, чем меньше подвижность дислокации, чем больше препятствий (барьеров) на их пути. Пластичность (d, y) и вязкость (KCU), наоборот, тем выше, чем легче осуществляется движение дисло­кации. Следует иметь в виду, что помимо вязкого разрушения, являющегося результатом большого числа пластических сдвигов за счет движения дислокации по различным плоскостям скольже­ния, возможно хрупкое разрушение в результате зарождения и прогрессирующего развития трещины.

На рис. 47 показано влияние структурного упрочнения (соз­дание структурных барьеров для движения дислокации) на пре­дел текучести s_Т, трещиностойкость K_1С и работу распространения трещины КСТ. С увеличением барьеров для движения дислокации предел текучести возрастает, а трещиностойкость K_1С и работа распространения трещины КСТ уменьшаются. В области 1 (рис. 47) надежность против внезапных хрупких разрушений вы­сокая, так как случайные перегрузки будут сниматься пластиче­ской деформацией в устье трещины в связи с низким пределом текучести s_Т и высоким значением вязкости разрушения К_1С . Область 2 (рис. 47) соответствует высокому значению s_Т и низ­кому значению К_1С. Металл может разрушаться хрупко при малых нагрузках. Поэтому во многих случаях следует применять материал с меньшим s_Т, что несколько увеличит массу конструкций, но значительно повысит сопротивление хрупкому разрушению.

Рис. 47. Схема влияния структурного упрочнения на предел текучести s_Т, вязкость

разрушения К_1С и работу распространения трещины при испытании на удар КСТ:

1 - вязкое разрушение; 2 - хрупкое разрушение

Для получения высокого комплекса механических свойств (высокой конструктивной прочности), исключения возможности хрупкого разрушения нужно, чтобы барьеры, тормозящие движе­ние дислокации, позволяли при определенном напряжении про­рываться через них дислокациям («полупроницаемые» барьеры). Рассмотрим с этих позиций основные механизмы упрочнения: деформационное, твердорастворное, образование гетерогенных структур (дисперсионное упрочнение), различного рода границ и оценим их роль в охрупчивании металлов.

Деформационное упрочнение (наклеп) рассмотрено выше. Бес­порядочно расположенные дислокации («лес дислокаций») в де­формированном металле вызывают сильное повышение прочности (s_Т = 10^-3…10^-2 G при r = 10¹¹…10¹² м^-2), но одновременно резко снижается сопротивление хрупкому разрушению. Следовательно, деформационное упрочнение не обеспечивает высокой конструк­тивной прочности. Оно нашло применение для упрочнения спла­вов твердых растворов.

При образовании твердых растворов s_В, s_Т и НВ повышаются (твердорастворное упрочнение). В неупорядоченном твердом раст­воре возникающие вокруг атомов растворенного элемента поля упругих напряжений затрудняют скольжение дислокаций. Сте­пень торможения дислокаций в твердом растворе определяется фактором размерного несоответствия атомов растворителя и рас­творенного элемента, разностью модулей упругости и возрастает пропорционально концентрации.

Рис. 48. Влияние атомной концентрации С растворенных в меди элементов на

условный предел текучести s_0,2

В первом приближении упрочнение при образовании твердого раствора может быть определено по формуле, полученной Моттом и Набарро:

s_Т = Ge²C (37)

где G - модуль сдвига, МПа;

e - параметр, зависящий от раз­личия размеров атомов растворенного компонента r и раствори­теля r₀ (e = (r - r_o);

С - атомная концентрация растворен­ного компонента.

Повышение прочности (рис. 48) в твердом растворе замещения прямо пропорционально концентрации растворенного элемента (до 10…30 %). Однако абсолютная величина упрочнения зависит от вида растворимого компонента (рис. 48). Величина K_1C при образовании твердых растворов снижается. В случае твердого раствора внедрения прочность во много раз больше, чем при об­разовании твердого раствора замещения при той же концентрации. Очень затрудняют движение дислокации, а, следовательно, по­вышают прочность атмосферы Коттрелла, даже при малом содержании второго компонента внед­рения. Примеси внедрения сильно понижают трещиностойкость K_1C, работу распространения трещины КСТ и повышают порог хладно­ломкости.

Очистка хладноломких метал­лов (Fe, Cr, Mo, W и др.) от при­месей внедрения (O, N, Н) повышает работу распростране­ния трещины, вязкость разрушения К_1C и понижает порог хлад­ноломкости.

Основная причина охрупчивания металла в присутствии при­месей внедрения - малая подвиж­ность дислокаций. Это вызвано, с одной стороны, повышенным сопротивлением решетки раствора внедрения скольжению дислокаций и, c другой стороны, закреп­лением дислокации атмосферами из атомов внедрения. Из-за низкой подвижности дислокации, а, следовательно, отсутствия микропластической деформации не происходит релаксации (ослаб­ления) напряжений у вершины хрупкой трещины, чем и объясня­ется низкое сопротивление распространению трещин.

Рис. 49. Влияние величины зерна d на условный предел текучести s_{0,2 ,} предел выносливости s_-1 (а) и ударную вязкость (порог хладноломкости) низкоуглеродистой стали:

1 - мелкое зерно (0,04мм ); 2 - крупное зерно (0,09мм )

Упрочнение при образовании твердого раствора достигает s_Т» 10^-3G. При повышении температуры выше (0,5…0,6) T_пл упрочнение за счет образования твердого раствора сильно умень­шается.

При ограниченном легировании, твердые растворы замещения обладают достаточной пластичностью и вязкостью и служат основной матрицей для многих конструкционных и инструментальных сплавов. Механические свойства сплавов твердых растворов в сильной степени зависят от величины зерна, полигонизованной структуры (субструктуры) и других структурных изменений.

Эффективным барьером для движения дислокации в металлах является межзеренная граница - зернограничное упрочнение. Это объясняется тем, что дислокация не может перейти границу зерна, так как в новом зерне плоскости скольжения не совпа­дают с плоскостью движения этой дислокации. Дальнейшая деформация продолжается в результате возникновения новой дислокации в соседнем зерне, поэтому, чем мельче зерно (больше про­тяженность границ), тем выше прочность металла (рис. 49, а).

Зависимость предела текучести от размера зерна описывается отношением Холла-Петча:

s_Т = s₀ + kd^-1/2 (38)

где s₀ и k - постоянные для данного металла;

d - диаметр зерна.

Эта зависимость справедлива и для субзерен. При очень мел­ком зерне предел текучести может достигнуть s = 10^-3G.

Повышение прочности при измельчении зерна не сопровождается охрупчиванием. Границы зерен и субзерен являются полупроницаемыми барьерами для движущихся дислокации.

Чем мельче зерно, тем труднее развивается хрупкая трещина, поскольку границы зерен затрудняют переход трещины сколом из одного зерна в другое вследствие изменения ее направления движения. В то же время, зародышевые трещины при мелком зерне меньше.

Измельчение зерна понижает порог хладноломкости (t₅₀). На рис. 49, б показано влияние величины зерна стали на темпе­ратурный порог хладноломкости. Чем крупнее зерно, тем выше порог хладноломкости. Для устранения межкристаллитного хрупкого разрушения и понижения t₅₀ надо уменьшать скопление примесей в приграничных объемах (сегрегацию без выделения) и образование на границах зерен хрупких фаз (чаще химических соединений), особенно в виде сплошной сетки. Чем мельче зерно, тем выше предел вы­носливости (рис. 49, а), который может быть определен по фор­муле

s_R = s_R0 + K_Rd^-1/2, (39)

где s_R0 и K_R - постоянные, зависящие от материала.

Измельчение зерна модифицированием, термической обра­боткой, легированием и т. д. является одним из перспективных методов упрочнения металлов и сплавов.

Создание в зерне препятствий для движения дислокации в виде хорошо развитой субструктуры приводит к дополнительному упрочнению.

Образование дислокационной структуры по механизму полигонизации (ячеистой структуры) повышает s_T, мало изме­няя K_1C, и понижает порог хладноломкости (t₅₀).

Выделение внутри зерен твердого раствора высокодисперсных равномерно распределенных частиц упрочняющих фаз, например, в процессе закалки и старения, сильно повышает s_T (дисперсионное упрочнение). Упрочнение при старении объясняется торможе­нием дислокации зонами Гинье-Престона (ГП) или частицами выделений.

Рис. 50. Модель движения дислокации в дисперсионно-твердеющих сплавах:

а - перерезание дисперсной частицы дислокацией; б - выгибание и продвижение дислокации

между частицами второй фазы с образованием петель

При образовании зон ГП дислокации проходят через них (перерезают), что требует повышенных напряжений (рис. 50, а). Зоны ГП имеют модуль сдвига больше, чем у исходного твердого раствора. Чем прочнее зоны ГП и больше их модуль упругости, тем труднее они перерезаются дислокациями. Вокруг зон ГП создается зона значительных упругих напряжений, которая также тормозит движение дислокации, а, следовательно, способствует упрочнению при старении.

В случае когерентных частиц избыточной фазы дислокации под действием приложенных напряжений либо перерезают, либо оги­бают эти частицы, что зависит от их размера, прочности и рас­стояния между ними. В случае некогерентных частиц возможно только огибание их дислокациями.

На (рис. 50, б) показано сна­чала выгибание, а затем (при больших напряжениях) и огибание частиц дислокациями. При возрастании напряжений дислокации образуют замкнутые дислокационные петли вокруг частиц (рис. 50, б). Оставив вокруг частиц петли, дислокации продол­жают скользить в прежнем направлении (эти петли или кольца, естественно, препятствуют движению новых дислокаций). Предел текучести при дисперсном упрочнении зависит от размера частиц d и их объемной доли f.

Уравнение прочности в этом случае имеет вид:

(40)

где s₀ - напряжение сдвига в матрице;

a - коэффициент, вклю­чающий вектор Бюргерса и модуль сдвига G матрицы.

Наибольшее упрочнение наблюдается, когда вторая фаза дисперсна, равномерно распределена по объему и расстояние ме­жду частицами не велико.

Упрочнение при огибании частиц (при одной объемной доле выделений второй фазы) всегда менее эффективно, чем упрочнение при перерезании. Однако вязкость разрушения К_1C и пластичность при огибании частиц выше.

Максимальной прочности после дисперсионного старения соот­ветствует минимальное значение K_1C.

Коагуляция избыточной фазы, снижая прочность (s_В, s_Т), повы­шает K_1C. Упрочнение дисперсными ча­стицами достигает 10^-2 G, но при нагреве до температуры (0,6…0,75) Т_пл снижается за счет их растворения.

Дисперсными частицами часто яв­ляются химические соединения. Чем сложнее кристаллическая решетка фазы упрочнителя и чем больше отличается ее состав от основного твердого раство­ра, тем сильнее упрочнение.

Химиче­ские соединения, особенно карбиды и нитриды, имеют высокую твердость, но хрупки. Например, твердость карбида вольфрама WC составляет НV17900, кар­бида титана TiC - НV28500, нитрида титана TiN - НV32300 МПа. Та­ким образом, для получения сплавов с высокой конструктив­ной прочностью нужно, чтобы основной твердый раствор (мат­рица) имела мелкозернистое строение с развитой внутренней субструктурой, в которой равномерно распределены высокодисперсные частицы упрочняющей фазы.

Такая структура сплава обеспечивает получение полупроницаемых барьеров для движу­щихся дислокаций и сочетание высокой прочности (s_В, s_Т), пла­стичности (d, y), вязкости разрушения (K_1С), вязкости (KCU, KCV, КСТ) и низкой температуры вязкохрупкого перехода (по­рог хладноломкости t₅₀).

Рассмотренные механизмы упрочнения положены в основу современных технологических процессов повышения конструктив­ной прочности металлов и сплавов.

Контрольные вопросы к главе 3

1. В чем различие между упругой и пластической деформациями?

2. Как изменяется строение металла в процессе пластического деформи­рования?

3. Как изменяется плотность дислокаций при пластической деформации?

4. Как влияют дислокации на прочность металла?

5. Почему наблюдается огромное различие теоретической и практической прочнос­ти?

6. Как влияет изменение строения на свойства деформированного металла?

7. В чем сущность явления наклепа и какое он имеет практи­ческое использование?

8. Какие характеристики механических свойств определяются при испытании на растяжение?

9. Что такое твердость?

10. Какие методы определения твердости вы знаете?

11. Что такое ударная вязкость?

12. Что такое порог хладноломкости?

13. Что такое конструкционная прочность?

14. От чего зависит и как определяется конструкционная прочность?

Глава 4

Дата добавления: 2014-01-05