книги из ГПНТБ / Термопластическое упрочнение конструкционных сталей, работающих при низких температурах

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

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.

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

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.

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

энергоемкости металла с учетом неоднородности поглощения энергии при механическом нагружении

мавший участие в пластическом деформировании и разруше­ нии металла; Ук— критический объем испытания; Vp — пре­ дельный объем разрушения; п — переменный параметр, за­ висящий от исходного состояния материала, вида нагруже­ ния и условий деформирования; Ср — удельная теплоемкость; Ти— заданная температура; Ts— температура плавления; йпл — скрытая теплота плавления.

Из уравнения общей энергоемкости следует, что реальная прочность металлов может быть повышена при увеличении предельной энергоемкости металла F, а также путем повы­ шения оптимальной однородности поглощения энергии при заданных условиях нагружения, т. е. при максимально воз­ можных значениях суммарного рабочего объема Va, прини­ мающего участие в пластическом деформировании и разру­ шении металла, и параметра /г, зависящего от плотности дис­ локаций. При этом п всегда меньше единицы и приближается к ней при р= 0 (идеальный кристалл) или р = р крит, когда искажение кристаллической решетки достигает критической величины. Однако энергоемкость металла возрастает лишь до некоторой величины искажения кристаллической решетки.

Все рассмотренные ранее факторы увеличивают парамет­ ры Vs и п и объем металла, участвующие в поглощении энер­ гии при механическом нагружении и повышении энергоем­ кости локальных объемов металла [4].

ВИДЫ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Получение материалов с заданным структурным состоя­ нием и определенными механическими и физическими свой­ ствами требует определенной термомеханической обработки,

9.