Файл: Термопластическое упрочнение конструкционных сталей, работающих при низких температурах..pdf

тов скапливаются в образующихся дефектных участках ре­ шетки аустенита.

Из-за недостаточно высокой температуры деформации (ниже рекристаллизационной) движение дислокаций и их упорядочение ограничено [2]. Из схемы НТМО (см. рис. 2) видно, что процесс этот довольно сложный (многостадийный). Предусматривается нагрев до аустенитного состояния, вы­ держка при этой температуре, охлаждение до изотермы, со­ ответствующей максимальной устойчивости аустенита, вы­ держка на этой изотерме, деформация, охлаждение и заклю­ чительный отпуск. Соответственно велико и число факторов, которые могут влиять на окончательные свойства стали, под­ вергнутой НТМО.

Как показано в работе [9], на результаты НТМО могут влиять, по крайней мере, десять факторов: химический состав стали; температура аустенита; продолжительность выдерж­ ки при температуре аустенизации; скорость охлаждения до температуры деформирования; температура деформирова­ ния; продолжительность выдержки при температуре дефор­ мирования; степень деформации; скорость деформирования; скорость охлаждения до комнатной температуры; режим заключительного отпуска.

При правильном выборе НТМО пластичность упрочнен­ ных сталей сохраняется на достаточном уровне, а в некото­ рых случаях даже возрастает. Возрастает и предел упруго­ сти, а также резко повышаются режущая стойкость и вяз­ кость инструментальных сталей [ 12].

Последнее время стали широко 'применяться разновидности

комбинированной термомеханической обработки (КТМО),

значены ВНТМО и НВТМО. При данных методах обработки реализуется создание дислокационной структуры в аустени­ те при деформации в районе температур выше температуры рекристаллизации, благоприятствующей повышению пласти­ ческих свойств, и ниже температуры рекристаллизации — по­ вышение плотности дислокаций, с чем связано значительное улучшение прочностных характеристик [2].

Механико-термическая обработка (МТО). При МТО про­ исходит растяжение материала на 1— 10% при нормальной или повышенной температуре с последующим полигонизационным отжигом при температуре, не превышающей темпе­ ратуру начала рекристаллизации. Такая обработка способ­ ствует образованию в упрочняемом объеме развитой полиго­ нальной структуры, резко усиливающей жаропрочность спла­ вов с сохранением эффекта упрочнения при больших сроках службы. МТО относительно мало влияет на характеристики кратковременной прочности (ав, as) [ 12].

14

ч

с5

F

т.

Рис. 3. Основные виды МТО [12],

Основные виды МТО показаны на схеме (рис. 3) [12].

Дробная механико-термическая обработка (ДМТО) отли­ чается от МТО тем, что предварительная деформация при повышенной температуре сообщается не за один раз, а за не­ сколько циклов с промежуточными полигонизационными отжи­ гами при температуре деформирования. ДМТО, как и МТО, существенно повышает характеристики жаропрочности при относительно небольшом увеличении статической прочности.

Механико-химико-термическая обработка (МХТО) отлича-

чается от МТО тем, что после пластической деформации ме­ талл подвергается азотированию, а затем длительному отжи­ гу. Такая обработка приводит к более полному блокирова­ нию дислокационных стенок, возникающих при МТО, причем в некоторых случаях происходит равномерное выделение дис­ персной высокопрочной фазы типа нитридов, что способст­ вует повышению жаропрочных свойств стали в условиях дли­ тельного нагружения и приводит к заметному увеличению конструкционной прочности при активном нагружении.

Многократная механико-термическая обработка (ММТО)

применима к материалам, у которых при активном нагруже­ нии на кривой деформации появляется площадка текучести. ММТО заключается в последовательном многократном деформировании металла (на полную длину выявляемой пло­ щадки текучести), чередующемся с искусственным старени­ ем. Такая обработка за 4—5 циклов создаете металле ста­

15

билизированную структуру заблокированных скоплений дис­ локаций высокой плотности и в отличие от рассмотренных видов МТО позволяет значительно (1,5—2 раза) повышать статическую прочность (ав, ав) с сохранением удовлетвори­ тельной пластичности. Кроме того, высокая стабильность по­ лучаемого эффекта упрочнения в условиях длительного на­ гружения при повышенных температурах обусловливает рез­ кое улучшение жаропрочных свойств металла.

Патентирование получило широкое применение в произ­ водстве стальной проволоки. Высокая прочность в данном случае достигается холодной пластической деформацией, че­ редующейся с патентированием [4]. Собственно патентиро­ вание представляет собой изотермическую обработку стали на сорбитовую структуру и заключается в нагреве стали до температуры на 30—50° выше точки Лс3 и в последующем ступенчатом охлаждении. Сначала охлаждение обычно ведут

в виде очень тонкой высокопластичной смеси феррита и кри­ сталлов карбида. Интенсивная пластическая деформация стали обусловливает резкое увеличение плотности дислока­ ций; в сочетании же с патентированием такая обработка со­ здает структуру, в которой скольжение существенно затруд­ няется, поскольку сдвигообразованию препятствуют череду­ ющиеся с ферритом пластинки карбидов. При многократном повторении патентирования и пластической деформации (про­ тяжки) происходит дальнейшее увеличение плотности дис­ локаций и измельчение феррито-карбидной смеси, вследствие чего прочностные характеристики стали сильно возрастают. Упрочнение будет тем больше, чем выше степень обжатия проволоки между операциями патентирования.

Рассмотренные данные по методам термомеханической обработки сталей позволяют заключить, что в настоящее вре­ мя созданы основные предпосылки для создания материалов с заданным структурным состоянием, отвечающим различным требованиям развивающейся промышленности, техники и строительства. Однако изыскание оптимальных режимов тер­ момеханической обработки для конкретных материалов с целью достижения определенных механических свойств и разработка новых эффективных методов упрочнения остают­ ся актуальными задачами металловедения.

МЕХАНИЗМ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ СТАЛЕЙ

Склонность сталей к хрупкому разрушению обусловлива­ ется рядом факторов, которые можно разделить на внешние, металлургические, конструктивные, технологические. К внеш-

16

большое напряжение, возникающее в голове скопления дис­ локаций. Однако трудно представить барьеры, способные привести к зарождению разрушения, особенно в монокри­ сталлах. В поликристаллах, вероятно, достаточно прочными

18

из-за отсутствия касательного напряжения, параллельного к этой плоскости. Следовательно, такая дислокация может представлять эффективный барьер для других дислокаций, движущихся в пересекающихся плоскостях скольжения [ 101]

а [001], которые, сливаясь, приводят к расширению и удли­ нению трещины.

Анализируя модель Коттрелла, Стро [20] пришел к вы­ воду, что она неточна, так как образующаяся дислокация неустойчива и под давлением со стороны последующих дислокаций будет диссоциировать по уравнению, обратному Коттреллову.

Пр айсом [21] предложен еще один безбарьерный меха­ низм образования трещин, при котором последние могут воз­ никнуть в области накладывающихся растягивающих напряжений от двух скоплений дислокаций противополож­ ного знака, расположенных в параллельных плоскостях сколь­ жения.

Орованом [22] предложен дислокационный механизм об­ разования трещин, не требующий нагромождения дислока­ ций. Этот механизм подробно рассмотрен Стро [23] (рис 4, е). По их мнению, трещины могут зарождаться в результате разрыва дислокационной стенки плоскостью скольжения, ког­ да часть стенки задерживается препятствием, а другая часть смещается под действием приложенных напряжений. Возни­ кающее при этом прерывистое смещение в результате изме­ нения направления скольжения вызывает образование раз­ рыва на плоскости скольженищ величина которого пропор­ циональна числу прошедших дислокаций.

Кроме рассмотренных, предложены другие механизмы зарождения хрупких трещин [24].

Общим для всех механизмов является использование в той или иной форме представлений о наличии некоторого комп­ лекса дислокаций. Преодолевая противоречие теории Гриф­ фитса, связанное с возникновением трещины, дислокационная

но с небольшим количеством дислокаций.

По дислокационной теории процесс хрупкого разрушения состоит из двух стадий: возникновения трещины и распрост­ ранения ее [14, 19, 20 и др.]. Первая стадия включает пред­ варительную деформацию, собственно возникновение и рост трещины до критических размеров; вторая наступает, когда трещина, достигнув критического размера, будет спонтанно распространяться, вызывая катастрофическое разрушение сколом. Первая стадия зависит от критического результирую-