Файл: Физические основы электротермического упрочнения стали..pdf

Структурное состояние сталей может быть чрезвычайно сложным. Даже в простейших углеродистых и малолегированных сталях, в зависимости от предшествующей термической или термомеханиче­ ской обработки, удается создавать различные структуры, и, хотя все они в основном будут дисперсионно-упрочненными системами, характер соответствия карбидной, нитридной или какой-либо дру­ гой упрочняющей фазы матрице и взаимодействия между ними из­ меняется в широких пределах. На различных стадиях отпуска, на­ пример, возникают когерентные и некогерентные, деформируемые и недеформируемые выделения, изменяющие свою форму, размеры и кристаллографическое соответствие, и закономерности изменения механических свойств оказываются весьма чувствительными ко всем трансформациям и упрочняющей фазы, и твердого раствора. При одном и том же объемном содержании упрочняющей фазы из­ менение размера выделений, или, другими словами, дисперсности упрочняющих частиц, очень сильно влияет на прочность сплава. Упрочнение благодаря дисперсным частицам может намного превы­ шать упрочнение, достигаемое в результате образования твердого раствора.

В физике прочности твердых тел дисперсионно-упрочненным си­ стемам уделяется большое внимание, так как именно они позволя­ ют во многих практически важных случаях создать особо прочные состояния. Рассмотрим наиболее исследованные модели дисперсион- но-упрочненных систем.

Некогерентные частицы. Допустим, что пластическая деформа­ ция происходит при прохождении дислокаций в мягкой и вязкой матрице, содержащей жесткие равноосные частицы упрочняющей фа­

формируемые, то условие, при котором дислокация пройдет сквозь строй частиц, оставив захлопнувшиеся около них кольца дислока­ ций, определяется по Оровану [344]:

(92)

где К —среднее расстояние между частицами.

Таким образом, в модели Орована критическим моментом, опреде­ ляющим начало скольжения, является напряжение прорыва дисло­ каций через жесткие частицы. Существенно, что радиус частиц г должен быть меньше среднего расстояния между ними. Выражения (93) и (94) можно несколько упростить:

Анселл и Ленел [411] обратили внимание на то, что условие про­ хождения дислокации через распределенные в матрице частицы еще не может рассматриваться как условие достижения предела текучести. Действительно, при деформации поликристалла предел текучести (и условие массового развития актов пластической дефор­ мации, охватывающей группу зерен поликристалла) достигается после образования некоторого числа плоских нагромождений дислокаций у заторможенных различными барьерами (например, гра­ ницами зерен) полос скольжения. Пластическая деформация, иници­ ированная такими нагромождениями и охватывающая целую си­ стему плоскостей скольжения, уже может рассматриваться как макропластическая деформация. Поскольку предел текучести опре­ деляется при некоторых фиксированных значениях макродеформа­ ции (например, при ед е ф да 10~2 или ед е ф да 10_ 1 %), в дисперсион- но-упрочненных системах следует также учитывать условия, со­ здающиеся после целого ряда актов микропластической деформации к моменту достижения некоторой макродеформации. В схеме Орова­ на в результате прохождения дислокаций через строй частиц обра­ зуется несколько дислокационных петель у частиц и качественно из­ меняется силовое равновесие. Поле напряжений остаточных петель уменьшает эффективное напряжение на источнике дислокаций [412],

упрочненного сплава возрастает обратно пропорционально корню квадратному из расстояния между частицами (для условий: объем­ ная концентрация упрочняющей фазы постоянна, уменьшается лишь диаметр частиц и соответственно увеличивается расстояние между ними). Максимальный уровень упрочнения достигается, если выпол­ няется условие (99). При дальнейшем уменьшении размеров частиц а т не изменяется. Максимальный уровень упрочнения, как следует из уравнения (98), определяется объемной концентрацией второй фа­ зы и ее модулем сдвига. В отличие от модели Орована, в упрочне­ нии по Анселлу и Ленелу в явном виде учитываются упругие свой­ ства упрочняющей фазы. При экспериментальной проверке этого вывода на алюминии с введенными фазами, модули сдвига которых отличались на один порядок, получены удовлетворительные резуль­ таты [411].

Уравнения Орована и Анселла —Ленела проверялись неодно­ кратно [410, 414, 355]. В частности, при обработке данных, получен­ ных в работе [415], об упрочнении малоуглеродистых сталей, содер­ жащих сфероидизированный или пластинчатый перлит (рис. 142),

о зависимости пределов текучести от дисперсности частиц в системах

вали размер сферических частиц железа в пределах от 50 до 770 А, а расстояние между ними —от 140 до 1000 А для мелких частиц и от 1000 А до нескольких микрон —для крупных и пришли к выво­ ду, что экспериментально измеренное упрочнение соответствует упрочнению, описанному уравнением (98).

Несмотря на то что необходимость в постановке новых и строго количественных экспериментов по проверке уравнений (96)—(98) не отпала, можно, по-видимому, считать, что модель Анселла — Ле­ нела удовлетворительно описывает поведение дисперсных систем с жесткими некогерентными частицами. Получило подтверждение и принципиальное положение модели Орована о механизме торможе­ ния процессов скольжения дисперсными частицами, которое обус­ ловлено образованием остаточных петель около частиц (называе­ мых часто петлями Орована). Однако, чтобы около частиц образо­ валось достаточное для среза частицы количество петель Орована, необходимо предотвратить развитие поперечного скольжения, ко­ торое может существенно изменить силовое взаимодействие между дислокациями и частицами. Если матрица сплава имеет высокую энергию дефекта упаковки и поперечное скольжение развивается легко, то прохождение дислокации через частицы осложняется по­ перечным скольжением (рис. 143), при этом образуются призмати­ ческие петли или геликоидальные дислокации. Например [419, 420], при обходе краевой дислокацией жесткой частицы (см. рис. 143, а)