книги / Специальные стали. Теория легирования
.pdfФакторы, повышающие склонность к хрупкому разрушению
иснижающие надежность:
–увеличение габаритов детали по сравнению с теми, на которых были проведены испытания;
–наличие концентраторов напряжений (различные крепежные отверстия и другие технологические выемки);
–изменение скорости приложения нагрузки.
Таким образом, основная задача при повышении конструкционной прочности состоит в повышении одних характеристик без снижения других.
Преждевременное разрушение наступает вследствие неравномерного распределения пиковых напряжений в объеме или на поверхности детали. Возникающие локальные пики напряжений превышают предел прочности и приводят к образованию очага разрушения. В результате этого необходимая конструкционная прочность зависит от величины пиковых напряжений.
Различают внутренние и внешние причины, определяющие локальную концентрацию напряжений. Внешние факторы определяются условиями нагружения: «мягкость» схемы напряженного состояния, скорость нагружения (динамическое или циклическое нагружение), температура эксплуатации, среда и давление. Внутренние факторы обусловлены реализуемым механизмом упрочнения, который в свою очередь определяется структурой и химическим составом сталей.
Пути повышения конструкционной прочности
Мартенситное превращение является основой современного способа упрочнения конструкционных сталей. При закалке сталей на мартенсит упрочнение σ0,2 достигается за счет искажения кристаллической решетки при образовании пересыщенного твердого раствора углерода в решетке железа (Δσтр – твердорастворный механизм), создания тонкой субструктуры зерна (Δσс – субструктурный механизм), повышения плотности дислокаций (Δσд – деформационный механизм или дислокационный), закрепления их атмосферами
101
атомов углерода и (или) карбидами (Δσд.у – дисперсионный механизм). Таким образом, предел текучести стали с мартенситной структурой можнорассматриватькаксуммуследующихкомпонентов:
σ0,2 = σ0 + Δσтр + Δσд + Δσс + Δσд.у.
Морфологический тип мартенсита в сталях оказывает влияние не только на их прочность, но и на весь комплекс механических свойств. Малые размеры элементов субструктуры реечного мартенсита и высокая плотность дислокаций в их внутренних объемах обеспечивают уровень прочности в пределах 1000–1100 МПа. С повышением содержания углерода в стали увеличивается доля твердорастворного упрочнения, однако при содержании углерода более 0,2 % происходит насыщение и закрепление дислокаций, что приводит к снижению ударной вязкости. Низкое содержание углерода в твердом растворе минимизирует искажение решетки и, следовательно, силы Пайерлса–Набарро, что обеспечивает высокую пластичность при высоких напряжениях, когда наступает общая текучесть.
Одновременное повышение характеристик прочности и надежности возможно за счет диспергирования структуры стали. В конструкционных сталях со структурой пакетного мартенсита диспергирование структуры (пакета) возможно за счет уменьшения размера аустенитного зерна. В.И. Изотовым и другими установлено, что в закаленной стали 45ХНМФА при диаметре аустенитного зерна менее 20 мкм предел текучести в результате диспергирования аустенита повышается строго в соответствии с зависимостью Холла– Петча. Л.Ф. Портер, а ранее Р.А. Грэндж доказали возможность диспергирования аустенита до dа<1 мкм в результате проведения термоциклической обработки. При этом отмечено изменение типа мартенсита с реечного на блочный.
Эффективность деформационного механизма упрочнения пропорциональна плотности дислокаций. В низкоуглеродистых мартенситных сталях в результате γ→α-превращения образуется пакетный мартенсит с высокой плотностью дислокаций, равной 1010–
1012см–2.
102
Дисперсионное твердение. Изучение старения сплавов на основе железа является предметом многочисленных исследований. Экспериментально показано, что старение в сплавах Fe − Ti наблюдается при концентрациях титана, превышающих 2,5–3%, в сплавах Fe – Mo, Fe – W при содержании второго компонента 5–10%, что приводит к существенному удорожанию стали. Следует отметить, что при повышении прочности сплава, в результате старения снижается пластичность. Неравномерность распределения частиц обусловливает снижение пластичности приграничных зон и хрупкое разрушение по границам.
В настоящее время известны две группы низкоуглеродистых конструкционных сталей мартенситного класса, в которых возможно получение мартенситной структуры в процессе замедленного охлаждения: мартенситостареющие стали (МСС) и низкоуглеродистые мартенситные стали (НМС). МСС – это высокочистые, высоколегированные и поэтому весьма дорогие стали, их стоимость превышает
в10 раз стоимость НМС. Несмотря на это, МСС применялись для деталей с прочностью более 1400 МПа. Прочность НМС, созданных
в90-е гг. ХХ века, не превышала 1000 МПа, в настоящее время достигнута прочность 1200 МПа. В дальнейшем целесообразно исследовать возможность создания НМС с более высокой прочностью без применения сильных карбидообразующих элементов, при сохранении технологичности, присущей данному классу сталей.
Структура низкоуглеродистого мартенсита включает пакеты, слои и рейки. Вклад различных элементов структуры в реализацию конструкционной прочности неравнозначен: чем меньше размер составляющей, тем большее влияние на свойства она способна оказать. Так, реечное упрочнение низкоуглеродистого пакетного мартенсита на 1–2 порядка превышает упрочнение, связанное с влиянием пакетов. В современных низкоуглеродистых мартенситных сталях с содержанием углерода до 0,2 % доминирующими механизмами упрочнения являются дислокационное, зернограничное и субструктурное упрочнение. Наиболее экономичным путем повышения прочности НМС является увеличение содержания углерода. В то же
103
время этот путь является рискованным, поскольку повышение содержания углерода может привести к появлению бейнитного превращения. Упрочнение с помощью дисперсионного твердения неэкономично и нетехнологично, так как для его реализации нужно вводить специальные легирующие элементы для образования второй фазы. При дисперсионном твердении одновременно с повышением прочности понижается вязкость.
Список рекомендуемой литературы
1.Новиков И.И. Теория термической обработки металлов: учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1986. − 480 с.
2.Морозов О.П., Счастливцев В.М., Яковлева И.Л. Верхний и нижний бейнит в углеродистой эвтектоидной стали // Физика метал-
лов и металловедение. – 1998. – № 2. − С. 150–159.
3.Гуляев А.П. Термическая обработка стали. − М.: МАШГИЗ, 1960. − 496 с.
4.Низкоуглеродистые мартенситные стали / Р.И. Энтин,
Л.И. Клейнер, Л.И. Коган [и др.] // Изв. АН СССР. Металлы. − 1979. − № 3 − С. 114–120.
5. Хлестов В.М., Энтин Р.И. Повышение бейнитной прокаливаемости стали при термомеханической обработке // Докл. АН
СССР. − 1972. − Т. 207. − С. 1101–1104.
6.Хлестов В.М. Влияние пластической деформации на кинетику изотермического превращения аустенита // Физика металлов
иметалловедение. – 1972. − Т. 33, № 4. − С. 873–876.
7.Дубов В.А. Стабилизация аустенита по отношению к бейнитному превращению, вызванная пластической деформацией // Фи-
зика металлов и металловедение. – 1972. − Т. 34. − Вып. 2. −
С. 415–417.
8. Влияние высокотемпературной пластической деформации на кинетику распада переохлажденного аустенита / М.М. Штейнберг, В.И. Филатов, T.С. Шилкова [и др.] // Изв. вузов. Черная ме-
таллургия. − 1973. − № 10. − С. 117–119.
104
9.Фридель Ж. Дислокации. − М.: Мир,1967. − 310 с.
10.Коган Л.И., Клейнер Л.М., Энтин Р.И. Особенности превращений аустенита в малоуглеродистых легированных сталях // Физикаметалловиметалловедение. – 1976. – Т. 41, №1. – С. 118–124.
11.Клейнер Л.М., Шацов А.А. Новые конструкционные материалы: низкоуглеродистые мартенситные и порошковые стали. При-
кладноеметалловедение/ Перм. гос. техн. ун-т. − Пермь, 2004. – 142 с. 12. Клейнер Л.М., Шацов А.А. Конструкционные высокопрочные низкоуглеродистые стали мартенситного класса / Перм.
гос. тех. ун-т. – Пермь, 2008. − 303 с.
13.Изотов В.И. Структура закаленной конструкционной стали. Состояние перегрева // Физика металлов и металловедение. − 1975. − Вып 4. − С. 801–814.
14.Голикова В.В., Добриков А.А., Изотов В.И. Кинетика, внутренняя структура и поверхностный рельеф реечного мартенсита //
Физика металлов и металловедение. − 1973. − Т. 36.− С. 1079.
15.Перкас М.Д., Кардонский В.М. Высокопрочные мартен- ситно-стареющие стали. – М.: Металлургия, 1970. – 224 с.
16.Курдюмов Г.В. Явление закалки и отпуска в стали //
Металловедение и термическая обработка металлов. – 1960. –
№10. – С. 22.
17.Курдюмов Г.В., Перкас М.Д. Металловедение и термическая обработка металлов. – 1961. – № 9. – С. 33.
18.Саррак В.И., Суворова С.О. Взаимодействие углерода с дефектами в мартенсите // Физика металлов и металловедение. – 1968. – Т. 26. – С. 147–156.
19.Изотов В.И., Вознесенский В.В., Бащенко А.П. Влияние величины исходного аустенитного зерна на структуру и предел текучести стали, закаленной на мартенсит // Проблемы металловедения и физики металлов: сб. науч. тр. ЦНИИЧМ. – М.:
Металлургия, 1976. – № 3. – С. 192–199.
20.Портер Л.Ф., Дабковски Д.С. Регулирование размера зерна путем термоциклирования // Сверхмелкое зерно в металлах:
пер. с англ. – М.: Металлургия, 1973. − С. 135–164.
105
21.Grange R.A. Strengthening steel by austenite grain refinement // Trans. Quart. ASM. − 1966. − Vol. 59. − Р. 26–47.
22.Заяц Л.Ц., Панов Д.О., Закирова М.Г. Структурная наследственность и перекристаллизация при «быстрой» аустенитизации системно-легированных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2008. – № 10. – С. 18–23.
23.Штремель М.А. Прочность сплавов: Ч. II. Деформация. –
М.: МИСИС, 1997. − 527 с.
24.Низкоуглеролистые мартенситные стали / А.Ф. Еднерал [и др.] // Проблемы металловедения и физики металлов. − 1972. –
С. 123–134.
25.Сагарадзе В.В., Уваров А.И. Упрочнение аустенитных
сталей. − М.: Наука, 1989. − 270 с.
26. Швецов В.В., Симонов Ю.Н., Клейнер Л.М. Структура и механические свойства мартенситно-стареющей и низкоуглеродистой мартенситной стали // Металловедение и термическая обработ-
ка металлов. − 2005. − № 1. − С. 32−35.
27.Эволюция фазового состава, дефектной структуры, внутренних напряжений и перераспределение углерода при отпуске литой конструкционной стали / Э.В. Козлов [и др.]. – Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2007. – 177 с.
28.Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. – М.: Металлургия, 1985.
106
Учебное издание
ЗАКИРОВА Мария Германовна
СПЕЦИАЛЬНЫЕ СТАЛИ
ТЕОРИЯ ЛЕГИРОВАНИЯ
Учебное пособие
Редактор и корректор И.А. Мангасарова
Подписано в печать 18.10.2021. Формат 60×90/16. Усл. печ. л. 6,68. Тираж 33 экз. Заказ № 224/2021.
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета.
Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113.
Тел. (342) 219-80-33.