Канаев А.Т., Канаев А.А.

Евразийский национальный университет им, Л.Н.Гумилева, Казахстан

Анализ применимости и эффективности различных механизмов упрочнения строительных сталей

Совмещение горячей деформации с последующей термической обработкой является одним из эффективных способов повышения качества массовых промышленно выпускаемых сталей. Опыт использования совмещенной деформационно-термической обработки в прокатных цехах металлургических предприятий показывает, что на нелегированных (углеродистых) сталях можно достичь такого высокого комплекса механических свойств, который не может быть достигнут обычными способами термической обработки или легирования. Наблюдаемое на практике сильное упрочнение при совмещении пластической деформации и термической обработки металлических материалов является результатом конкуренции нескольких факторов упрочнения, что определяет неоднозначность этого влияния.[1]. Установление влияния различных факторов упрочнения на общий предел текучести способствует пониманию закономерностей формирования структуры и свойств сталей при их деформационно- термически обработке

Предел текучести сталей с феррито-перлитной структурой определяется уравнением Холла и Петча:

(1)

где - сопротивление движению дислокаций со стороны решетки; - постоянная, связанная с распространением деформации через границы зерен; d- диаметр зерна.В этом уравнении представляет сумму напряжения трения решетки, т.н. силы Пайерлса-Набарро, повышения прочности твердых растворов при легировании, упрочнения за счет образования перлитной составляющей в структуре, деформационного упрочнений.

На основании известных закономерностей, считая вклад каждого упрочняющего фактора в общее упрочнение аддитивным, была составлена система уравнений, связывающая предел текучести с напряжениями от перечисленных факторов.

(2)

Анализ этого уравнения показывает, что доля вклада отдельных факторов упрочнения в общий предел текучести стали неодинакова.

Напряжение трения решетки матрицы ^-4 (3)

где G- модуль сдвига материала, в первом может быть сопоставлено пределом текучести монокристалла материала и существенно зависит от содержания примесей и дефектов кристаллической решетки.

Механизм упрочнения твердого раствора при легировании обусловлен блокировкой дислокаций атмосферами из атомов примесей и повышением сил трения твердого раствора за счет растворенных атомов легирующих элементов.

Этот член уравнения может быть представлен в виде

(4)

где - коэффициент упрочнения феррита, представляющий собой прирост предела текучести при растворении в нем 1% i-того легирующего элемента. - концентрация i-того легирующего элемента, растворенного в феррите. Заметим, что при количественной оценке упрочнения от этого фактора учитывается концентрация легирующего элемента, растворенного в феррите, а не содержание этого элемента в стали.

Механизм деформационного (дислокационного) упрочнения заключается в том, что пластическая деформация сопровождается образованием новых дислокаций, их определенным распределением и увеличением плотности. Возникающее при этом упрочнение определяется по формуле:

(5)

где α –коэффициент, зависящий от характера взаимодействия дислокаций при деформационном упрочнении, m – ориентационный множитель, G – модуль сдвига железа (G=84000 МПа); b – вектор Бюргерса (b=0.25 нм); ρ- плотность дислокаций.

Анализ показывает, что значения становится существенными при ρ > 10¹⁰ см^-2, т.е. когда сталь заметна наклепана в результате обычной термической обработки, пластической деформации или совмещенной деформационно-термической обработки, когда процессы рекристаллизации после горячей пластической деформации в стали подавлены.

Важное значение для повышения прочности феррито-перлитных сталей имеет механизм дисперсионного упрочнения. Для исследованных нами сталей (10ХНДП, Ст5 сп., 16Г2АФ). Наиболее приемлемыми являются механизмы упрочнения дисперсными частицами, которое рассчитывается по формуле Орована

(6)

где λ- расстояние между частицами, нм.

Согласно этой модели, дислокации при движении будут задерживаться на частицах до тех пор, пока прилагаемое напряжение не будет достаточным для того, чтобы линия дислокации изогнулась и прошла между частицами, оставив около них дислокационные петли.

В целом, увеличение предела текучести зависит от числа частиц, их размера, характера распределения и расстояния между ними. Расчеты выполненные в работе [2] показали правомерность применения механизма Орована для количественной оценки величины дисперсионного упрочнения стали с карбонитритным упрочнением – 16Г2АФ.

В феррито-перлитных сталях при приложении нагрузки деформация начинает развиваться в феррите, а перлитные колонки являются барьерами для такой деформации. С этой точки зрения феррито-перлитная структура может быть уподоблена структуре дисперсионно-упрочненной стали. Количество перлитной составляющей ее дисперсность, межпластиночное расстояние зависят от состава стали, скорости охлаждения, устойчивости переохлажденного аустенита, сечения проката и других факторов и поэтому эти факторы определяют механические свойства сталей.

Вклад перлитной составляющей в предел текучести исследованных сталей учитывали путем умножения эмпирического коэффициента на процентное содержание перлита в стали - П (7).

Повышение прочности за счет границ зерен, являющихся эффективными барьерами для продвижения дислокаций из одного зерна в другое, характеризуется вторым членом уравнения Холла – Петча

(8)

где Ку- коэффициент, характеризующий прочность блокировки дислокаций большеугловыми границами.

При деформационно-термической обработке внутри зерна может образовываться субзеренная структура, представляющая собой участки внутри зерен, отделенные одни от другого дислокационными малоугловыми границами. Хорошо развитая субзеренная структура может привести к дополнительному субзеренному упрочнению, определяемому по формуле: (9),

где - коэффициент, характеризующий строение субзеренных границ, l- размер субзерен. Следует отметить, что при развитой субзеренной структуре зернограничное упрочнение не учитывается ( ), а учитывается субструтурное упрочнение по указанному уравнению.

С целью выявления роли указанных выше механизмов упрочнения на формирование прочностных характеристик количественно оценивали пределы текучести горячекатаных и термоупрочненных сталей ст.5пс и низколегированной стали 10ХНДП. Данные по стали 16Г2АФ с карбонитридным упрочнением по [2].

Исходные экспериментальные данные для количественной оценки предела текучести исследованных сталей.

Таблица 1.

№ п/п	Характеристика стали	Марка стали
		Ст.5 пс горячекат.	Ст.5 пс упрочн.	10ХНДП	16Г2АФ
1	Содержание легированных элементов в α-Fe, % Mn Si P V Ni Cr Cu (C+N)	0.65 0.11 0.04 - - - - 0.015	0.65 0.11 0.04 - - - - 0.015	0.45 0.27 0.095 - 0.45 0.665 0.040 0.015	1.5 0.3 0.03 0.12 - - - 0.002
2	Упрочняющая фаза	-	-	-	-
3	Доля перлита, %	35	26	14	17
4	Размер зерна,d, мм	0,051	0,033	0,028	0,014
5	Объемная доля дисперсных частиц, f, %	-	-	-	0,096
6	Размер дисперсных частиц, Д, нм.	-	-	-	30
7	Межчастичное расстояние, λ, нм	-	-	-	700
8	Плотность дислокаций	10^8	10^10	10^9	10^9

Данные для α-Fe, G=84000 МПа, b= 0,25 нм.

Количественная оценка предела текучести исследованных сталей.

Таблица 2.

№ п/п	Показатели	Марка стали
		Ст.5 пс горячекат.	Ст.5 пс упрочнен.	10ХНДП.	16Г2АФ.
1	Твердорастворное упрочнение -	136,0/43,3	136,4/37,2	206,9/58,9	145/29,9
2	Перлитная составляющая -	75,1/23,9	75,1/20,5	34,3/9,8	40/8,3
3	Дисперсионное упрочнение -	-	-	-	105/21,7
4	Дислокационное упрочнение -	10,5/3,3	105,0/28,6	10,5/3,0	-
5	Упрочнение границами зерен -	92,8/29,5	-	99,3/28,3	195/40,2
6	Субзеренное упрочнение	-	50,3/13,7	-	-
7	Общее упрочнение (Расчетное значение)	314,4/100	366,8/100	351,0/100	485/100

Экспериментальное 285 347,0 345,0 470,0

значение

Из данных таблицы 2 следует, что основным механизмом упрочнения в полуспокойной горячекатаной стали ст.5пс является твердорастворное упрочнение, доля которого составляет 43,3 %, по абсолютной величине 136,0 МПа. В этой же стали, подвергнутой деформационно-термической обработке, существенный вклад в общее упрочнение, вносит дислокационное упрочнение. Если доля деформационного упрочнения в стали Ст.5пс, охлажденной на спокойном воздухе с температуры конца прокатки 1050⁰С (горячекатаное состояние) составляет 3,3%, то, в этой же стали, но деформационно-упрочненной по схеме прерванной закалки с последующим высоким самоотпуском (упрочненное состояние) доля деформационного упрочнения возрастает до 28,6 %, абсолютное занчение 105 МПа. Это объясняется, вероятно, увеличением плотности дислокации при совмещении горячей прокатки с последующей немедленной закалкой и самоотпуском. Резким охлаждением подавляются рекристаллизационные процессы и фиксируется значительная часть дислокаций, возникающая при горячей прокатке аустенита.

Доминирующим механизмом упрочнения стали 10ХНДП является твердорастворный. Если учесть, что твердорастворное- упрочнение обусловлено разницей атомных диаметров матрицы и легирующего элемента и модулей их упругости, то высокую долю твердорастворного упрочнения в стали 10ХНДП можно объяснить сопротивлением движущимся дислокациям со стороны растворенных элементов хрома, никеля, меди и фосфора. Отмечая эффективность этого механизма упрочнения и его применимость на практике, в то же время следует отметить, что существует, вероятно, какая-то оптимальная степень легирования железа, ибо насыщение его атомами внедрения и замещения может привести лишь к опасной упругой деформации решетки и снижению вязкости разрушения сплава.[3]

Как видно из таблицы, в низколегированной стали 16Г2АФ заметна роль дисперционного упрочнения, в которой образуется дисперсная карбонитридная фаза V(C,N), упрочняющая феррит по механизму Орована.

Заключение

По методике предложенной в [2], количественно оценен предел текучести углеродистых сталей Ст.5пс ( горячекатаная и упрочненная) и низколегированной стали 10ХНДП и определена доля отдельных составляющих упрочнения в общем пределе текучести.

Показано, что основными факторами упрочнения горячекатаных феррито-перлитных сталей являются твердорастворное и зернограничное упрочнение. При совмещенной деформационно-термической обработке существенный вклад в общее упрочнение вносит деформационное упрочнение за счет роста и фиксации плотности дислокаций, возникающих при горячем наклепе.

Использованная литература

1. Материалы 1 Международной Казахстанско-Российско-Японской научной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов».Усть-Каменогорск, 2008,стр.537-544

2. Гольдштейн М.И., Литвинов В.С., Бронфин Б.М. Металлофизика высокопрочных сплавов, Москва, Металлургия, 1986, 311с.

3. Канаев А.Т.,Канаев А.А. Термомеханическая обработка низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Астана. Изд-во ЕНУ им. Л.Н.Гумилева, 1999, 235с.