Основи зміцнення сталі

Високоміцні низьколеговані сталі, що призначені для зварних конструкт-цій, мають високу міцність, гарну пластичність, достатню опірність крихкому руйнуванню й задовольної зварюваністі.

Щоб задовольнити всім цим вимогам доводиться широко використовува-ти різні системи легування, технологічні й металургійні фактори, сполучення яких забезпечує одержання необхідних властивостей, що визначають галузь за-стосування сталі.

Здатність полікристалічних металів пручатися пластичної деформації й руйнуванню обумовлюється їхнім структурним станом.

Для ефективного підвищення міцності сталі використовуються структур- ні фактори: зміна величини зерна, форми й орієнтації кристалитів; перерозподіл домішок, виділення нових фаз, створення або усунення сублокальних недоско-налостей кристалічної будови й т.д..

Теорія дислокацій- теорія недосконалостей кристалічної будови, дозволила науково обґрунтувати принципово можливі й ефективні шляхи підвищення міцності сталі, виходячи з її структурного стану .

Наявність дислокацій у кристалічних ґратах впливає на міцність реальних кристалів. Рух дислокацій викликає ковзання в кристалах під дією порівняно невеликих зусиль. Ця властивість виділяє дислокації з ряду інших недосконало-стей ґратки.

Якщо у вихідному матеріалі існують слабко закріплені дислокації, плинність починається в результаті їхнього зриву. Якщо ж вони сильно блоковані, то плинність наступає в результаті генерації нових дислокацій у місцях концентрації напружень.

На дислокаційну структуру технічних металів і сплавів діють шляхом пластичної деформації для одержання необхідної щільності дислокацій і інших недосконалостей кристалічної будови. Під термічним впливом перерозподіляю-ться недосконалості кристала, стабілізується структурний стан, здійснюється необхідна перебудова кристалічних ґрат.

Змінюючи дислокаційну структуру металу або сплаву можна суттєво впливати на їх механічні й фізичні властивості.

Підвищення міцності сталі пов'язане зі збільшення напружень, що приво- дять дислокації в рух і підсилюючих їхню взаємодію з іншими дислокаціями й мікроструктурними складовими. При деформації заліза щільність дислокацій збільшується. Дислокації взаємодіють між собою й напруження, що необхідні для подальшого руху дислокацій, підвищуються. Відповідно в дрібнозернистій сталі можна одержати більш високу щільність дислокації, чим у грубозернис-тій.

На практиці підвищення границі текучості - заліза досягають легуван-ням його різними елементами, що утворюють тверді розчини заміщення або впровадження. Зміцнення створюється викривленням(искажением) ґрат роз-чинника атомами розчинюючого елемента, у результаті чого збільшується нап-руження тертя, що перешкоджає руху дислокацій. Чим сильніше викривлює-ться решітка й чим більша кількість викривлених ділянок, тим вище загальне зміцнення металу.

Залізо має алотропічне перетворення. Це дозволяє не тількі в широких межах змінювати розміри зерен, але й створювати найбільш сприятливу, з погляду міцності, субмікроскопічну неоднорідність тонкої структури сталі. Особливо сприятливі процеси орієнтованої перебудови при мартенситному й бейнітному перетвореннях. У процесі мартенситного й бейнітного перетворень відбувається дріблення зерен на фрагменты й блоки, які разорієнтовані друг щодо друга, викривлення кристалічної ґратки на границях субструктурних складових. Здрібнювання разорієнтацій субструктурных складових, створює перешкоди для переміщення дислокацій, що сприяє підвищенню міцності сталі.

Істотний вплив на міцні властивості сталі оказують елементи, що мають неоднакову розчинність в аустеніті й ферриті. Так, наприклад, вуглець, азот, бор легко розчинюються в аустеніті, але обмежено - у ферриті. Тому при загартуванні сталі можна одержувати сильно пересичені тверді розчини. При виділенні з пересиченого твердого розчину дисперсних часток другої фази може бути здійснене зміцнення сплаву -заліза карбідо- і нітридоутворюючими елементами. Розподіл включень залежить від структури в загартованому стані.

Механізм зміцнення сплаву дисперсними частками базується на тому, що частки перешкоджають руху дислокацій. Перешкоди на шляху руху дислокацій вимагають доповни тельного напруги для їхнього подолання. При рівномірно-му розподілі перешкод по об’єму металу збільшується його здатність пручатися зовнішнім навантаженням внаслідок підвищення загальної енергоємності й збі-льшення кількості мікрооб’ємів, що одночасно беруть участь у деформації.

Зміцнення сталей дрібнодисперсними включеннями пов'язане з особливо- стями їхнього розподілу у твердому розчині. Включення, рівномірно розподі- лені в металі, активно впливають на кристалізацію металу, здрібнювання аусте-нітного зерна й перекручування кристаллографічних ґрат.

Перспективним напрямком є застосування технології, яка забезпечує створення в сталі субмікроскопічних включень нітридів алюмінія, титану, цир-конію й ін. Ці включення сприяють сильному здрібненню структури сталі, а рівномірний їхній розподіл істотно утрудняє внутрікристалічне сдвигоутворен-ня. Оба фактора сприяють різкому підвищенню міцності й в'язкості сталі.

Здрібнювання зерен під впливом нітридів і пов'язане із цим різке підвищення міцності відомо досить давно (рис 1). Однак лише в останні роки почали виплавляти сталь, що містить нітриди.

Рисунок 1- Вплив вмісту нітриду алюмінія на границю текучості низьковуглецевої сталі

Мартенситне перетворення є найбільш ефективним методом зміцнення сталі, що забезпечує сполучення високої міцності з достатньою пластичністю (рис. 2).

Величина мартенситного зерна залежить від величини зерен аустеніту. Чим менше вихідне аустенітне зерно, тим дрібніше зерна мартенсита, що утвориться. Дрібнозернисті сталі пластичніше грубозернистих. На міцність сталі величина зерна впливає незначно.

Найбільший інтерес для зварників представляють низьковуглецеві сталі з голчастим мартенситом. Ці сталі мають високі не тільки міцні, але й пластичні властивості. Важливим є також те, що в низьковуглецевої сталі мартенситне пе-ретворення відбувається при відносно високих температурах (вище 350°С) і су-проводжується порівняно низькими напруженями другого роду (перекручу-ван-ня другого роду пов'язані із пружною деформацієй мікрообластей). Тому низь-ковуглецеві сталі проявляють незначну схильність до утворення гартівних трі-щин.

Рисунок 2- Вплив температури фазових перетворень на структуру й

границю міцності низьколегованої сталі.