Файл: Термопластическое упрочнение конструкционных сталей, работающих при низких температурах..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.10.2024
Просмотров: 31
Скачиваний: 0
А К А Д Е М И Я Н А У К С С С Р СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
ЯКУТСКИЙ ФИЛИАЛ
ИНСТИТУТ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ СЕВЕРА
ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКОЕ
УПРОЧНЕНИЕ
КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Ответственный редактор канд. техн. наук Р. С. Г р и г о р ь е в
И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « Н А У К А» СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Новосибирск-1974
УДК 621.789
В монографии излагаются вопросы механизма хрупкого разру шения и упрочнения сталей при термомеханической обработке. Рас сматриваются критерии оценки склонности материалов к хрупкому разрушению. Приводятся результаты экспериментальных исследова ний по механико-термической и высокотемпературной термомехани ческой обработке сталей Ст. 3 и Ст. 5. Дается оценка влияния уп рочнения на хладостойкость данных сталей.
Работа предназначена для исследователей, аспирантов и сту дентов, занимающихся вопросами упрочнения сталей, применяемых
в условиях низких температур.
р
Коллектив авторов: Р. С. Григорьев, В. П. Ларионов, Т. С. Сосин,
П. Г. Яковлев
Издательство «Наука», 1974
ВВЕДЕНИЕ
Рост промышленного потенциала северных и северо-восточ ных районов СССР делает особенно актуальной задачу повы шения прочности и эксплуатационной надежности машин и кон струкций, работающих в условиях низких температур, путем повышения качества и улучшения свойства металлов. В со ответствии с решениями партии и правительства будет рас ширяться производство легированной стали и увеличиваться применение термической обработки. Однако для проведения самостоятельных операций термообработки необходимо спе циальное оборудование, подготовка которого требует опреде ленных затрат времени. В связи с этим предложено выпол нять термическую обработку в комплексе с другими произ водственными операциями, в частности, сочетать операции горячей пластической деформации и термической обработки
[ 1, 2].
Накоплен значительный экспериментальный материал, по казывающий возможность организации термомеханической обработки стали в производственных условиях. Разработаны методы упрочнения, в которых термическая обработка соче тается с пластической деформацией стали в различных ее структурных состояниях: аустенитном, мартенситном, бейнитном, феррито-карбидном. Некоторые виды термомеханиче ской обработки позволяют достичь наряду с высокой проч ностью удовлетворительной пластичности при правильном сочетании степени пластической деформации, вида дефор мации и температуры.
Большинство методов упрочняющих обработок направле но прежде всего на достижение высокопрочного состояния, и при этом не всегда учитывается возможность работы стали при низких температурах. В настоящей работе поставлена задача выбора оптимального режима термопластического уп рочнения конструкционных сталей, работающих при низких
температурах.
Опыт показывает, что наибольшее распространение в на шей стране, и в частности на Северо-Востоке, получили ста ли Ст. 3 и Ст. 5. Для выполнения поставленной задачи нами
з
проведена упрочняющая обработка данных марок сталей различными методами термомеханической и механико-терми ческой обработок с последующей проверкой механических характеристик при низких температурах в условиях статиче ского и ударного нагружений. Это создало возможность ком плексной оценки прочности, пластичности и сопротивляемо сти хрупкому разрушению по прочностным характеристикам, критерию Ирвина К\с и изменению ударной вязкости с пони жением температуры.
Учитывалось также влияние упрочняющих методов обра боток на хладостойкость и прочность сварного соединения. Вместе с тем мы не стремились к обязательному достижению высоких значений прочности. Основная цель работы заклю чалась в получении такого структурного состояния, при ко тором упрочненный материал будет иметь пониженную склон ность к хрупкому разрушению.
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
И МЕХАНИЗМ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ СТАЛЕЙ
Решение задачи определения оптимального режима тер мопластического упрочнения конструкционных сталей, рабо тающих при низких температурах,требует изучения ряда во просов теории и практики упрочняющих методов обработки сталей и сплавов, а также теории хрупкого разрушения ста лей. В связи с этим рассматриваются некоторые аспекты ме ханизма упрочнения при термомеханической обработке (ТМО), отдельные виды ТМО, механизм хрупкого разруше ния сталей и влияние упрочняющих обработок на переход сталей в хрупкое состояние.
МЕХАНИЗМ УПРОЧНЕНИЯ ПРИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
Свойства металлических сплавов зависят от несовер шенств строения реальных кристаллов. Одним из способов созданий высокопрочных материалов путем управления ха рактером, числом и распределением несовершенств в метал ле является термомеханическая обработка, при которой ком бинированным воздействием операций деформации, нагрева и охлаждения на обрабатываемый материал создается опти мальная дислокационная структура.
Различают два вида обработки: ТМО, связанная с накле пом в области высотемпературной фазы и с полиморфным или фазовым превращением при охлаждении, и механико термическая, заключающаяся в создании в материале поли гональной структуры деформированием и последующей ста билизацией при температурах, не превышающих температу ру начала рекристаллизации.
Упрочнение |
при термомеханической обработке |
связано |
|
со следующими факторами. |
При де |
||
У в е л и ч е н и е |
п л о т н о с т и д и с л о к а ц и й . |
||
формировании |
в |
металле накапливаются заблокированные |
|
дислокации, увеличивается их плотность и происходит упру гое взаимодействие их с подвижными дислокациями. В ре-
5
зультате повышается энергетический потенциал упрочняемо го материала, а значит, и сопротивление внешнему механи ческому нагружению вследствие увеличения внутренних на пряжений и плотности леса дислокаций с винтовой компо нентой.
Несмотря на повышенную плотность, дислокации более равномерно распределяются по объему металла, чем в ис ходном состоянии, что способствует однородности дислока ционной структуры. Не исключается возможность движения дислокационных петель или сегментов внутри субобъемов, так как в них плотность дислокации не превышает плотности для отожженного металла. Таким образом, дислокации внут ри субзерен имеют возможность перераспределяться, что вли яет на релаксацию напряжений по границам раздела и сни жает склонность упрочненного материала к хрупкому разру шению [3].
Д и с л о к а ц и о н н ы е б а р ь е р ы . Границы зерен оказы вают существенное влияние на прочность металла, являясь эффективным препятствием для распространения деформации и определяя ее неоднородность и изгиб кристаллитов у гра ниц [4]. При этом большую роль играет угол их разориентировки.
Следует отметить, что сопротивление пластической де формации увеличивает не собственно граница, а взаимодей ствие дислокационных источников, разделенных этой грани цей, при достаточной локализации деформации в микрообъе мах. Это достигается для каждого материала и конкретных условий при определенном оптимальном числе зерен, опреде ляющем максимальное сопротивление деформации.
Эффективными барьерами являются границы субзерен, особенно при действии длительных нагрузок, вследствие от носительно высокого сопротивления стенок дислокаций, обра зующих субграницу, действию термических флуктуаций [4]. На упрочнение металла оказывает влияние степень дисперс ности частиц ввиду создания внутренних напряжений в мат рице, что препятствует движению дислокаций.
Р а з м е р зерна . При уменьшении размера зерна проч ность увеличивается в результате локализации в микрообъе мах, что уменьшает возможность образования плоских скоп лений дислокаций большой протяженности и снижает кон центрацию напряжений. Уменьшение размера зерна влияет на прочность лишь до тех пор, пока не обеспечена локали зация деформации в микрообъемах, т. е. до достижения оп тимального числа зерен, определяющего максимальное со противление деформации [5]. При этом следует учитывать состояние самих границ зерен, так как в самих пригранич ных объемах при высоких температурах протекает сущест венная пластическая деформация, приводящая к изменению
о
конфигурации зерен. Эти искажения предотвращают образо вание фаз, ослабляющих связь между зернами, способствуют упрочнению.
Степень упрочнения можно рассчитать по известному уравнению Петча [6]
_ j_ |
(1) |
Оу = <Ji + Ку d 2 * |
где оу — предел текучести; с*— напряжение, необходимое для движения свободной дислокации через кристаллическую ре шетку; Ку— параметр, характеризующий прочность блокиро вания дислокаций; d — размер зерна. При уменьшении зерна
до 1 мкм предел текучести может возрасти до 70 |
кГ/мм2, т.е. |
в 3 раза. |
При выпа |
Р а з м е р ч а с т и ц д и с п е р с н о й фа з ы. |
дении дисперсной фазы прочность повышается до некоторого оптимального соотношения. Максимум достигается при рас
стоянии между дисперсными частицами 1000 А и размере их
50—2Q0A. Более равномерное распределение фазы в матри це способствует однородному развитию деформационных про цессов.
П о л и м о р ф н о е п р е в р а щ е н и е п р е д в а р и т е л ь но д е ф о р м и р о в а н н о г о м е т а л л а . При пластической деформации в области стабильного аустенита весьма интен сивно протекает процесс блокообразования вследствие дроб- 'ления зерен аустенита на более мелкие. Последующая, закалка позволяет сохранить мелкоблочную структуру до мар тенситного превращения. В результате получается высоко дисперсная структура мартенсита с увеличенной плотностью дислокаций. Как следствие увеличивается число одновремен но протекающих элементарных актов пластической дефор мации, что позволяет сохранить определенную пластичность стали [4].
В работе [7] показано, что при деформировании аустени та понижается мартенситная точка, и аустенит превращает ся в мартенсит во время деформации в области надмартенситных температур. С увеличением степени деформации ука занные явления усиливаются. Таким образом, различают «мартенсит деформации» и «мартенсит охлаждения». Кри сталлы первого мельче, нежели второго.
Упрочнение при мартенситном превращении связано с уп рочнением твердого раствора внедренными атомами углеро да, двойникованием мартенситных пластинок, создающим эф фективные препятствия для движения дислокаций, и допол нительными искажениями кристаллической решетки [4].
Задача упрочнения металлов не ограничивается создани ем высокопрочного состояния, а имеет целью стабилизацию дислокационной структуры в упрочненном состоянии. Стаби
лизация достигается созданием устойчивых дислокационных сеток, так называемых полигональных и ячеистых субграниц. Такие структуры создаются по механизму полигонизации в результате перестройки дислокаций одного знака в полиго нальные стенки, которые тормозят развитие поперечного скольжения. К тому же дислокационнные стенки имеют высо кую сопротивляемость действию термических флуктуаций. Полученная полигональная структура способствует более однородной деформации внутри отдельных зерен и в макро объемах [3].
Впервые явление полигонизации было установлено Конобеевским и Мирером при исследовании изогнутых монокрис таллов каменной соли. Они обнаружили, что после отжига предварительно изогнутых монокристаллов дислокации од ного знака выстраиваются в полигональные стенки.
При деформировании металлов образуются субзерна, раз мер которых тем меньше, чем ниже температура деформа ции и выше ее скорость и степень (до определенных преде лов). Скорость роста субграниц увеличивается при при ложении напряжений и одновременном нагреве, а степень упрочнения связана с характером образующейся субграницы.
Среди многообразия деформационно-термических процес сов, приводящих к высокопрочному состоянию, можно выде лить три основных [3].
1. Образование дислокационных стенок по механизму скольжения, на стадии легкого скольжения. Такая полигонизация осуществляется при низких температурах.
2. Полигонизации в результате поперечного скольжения винтовых компонент, происходящая при температуре, превы шающей или равной комнатной и зависящая от степени рас щепления дислокаций.
3. |
Полигонизации по механизму переползания дислока |
ций, |
требующая интенсивного развития процессов самодиф- |
фузии, осуществляемая при* повышенных либо высоких тем пературах. При этом образуется наиболее термически устой чивая субструктура вследствие уменьшения энергии в кристалле за счет компенсации упругих полей, выстроенных з стенки дислокаций. С другой стороны, стабильность полигонизационного состояния определяется взаимодействием суб границ с примесями, приводящим к блокировке стенок.
Природа упрочнения металлов и сплавов, несмотря на ее сложность и многообразие, может быть рассмотрена с еди ной точки зрения — по совместному влиянию на повышение энергоемкости данного металла или сплава.
Исходя из аналогии между процессами поглощения энер гии кристаллической решеткой при механическом нагружении до разрушения и при нагреве металла до состояния полного расплавления, в работе [4] предложено уравнение для общей
8