Материаловедение высокопрочных сталей и сплавов

В. Р. Бараз, М. А. Филиппов











МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ


Учебное пособие




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 66.017:669
ББК 30.3
    Б24


Рецензенты:
кафедра материаловедения, контроля в машиностроении и методики профессионального образования Российского государственного профессионально-педагогического университета - РГППУ
(зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. Б. Н. Гузанов);
д-р техн. наук, проф. (Уральский государственный лесотехнический университет) Б. А. Потехин


        Бараз, В. Р.

Б24 Материаловедение высокопрочных сталей и сплавов : учебное пособие / В. Р. Бараз, М. А. Филиппов. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. - 204 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1166-0

      Изложены научные основы получения высокопрочного состояния материалов путем создания условий, регулирующих уровень дефектности их структуры. Приведены механизмы упрочнения, обусловленные влиянием деформации, а также термической обработки с использованием эффекта дисперсионного твердения и мартенситного превращения. Рассмотрены условия формирования высокопрочного состояния за счет формирования наноструктур. Дано физическое описание процесса разрушения высокопрочных материалов. Представлены существующие теории разрушения за счет взаимодействия с внешней средой.
      Для студентов машиностроительных и металлургических специальностей. Может быть полезно инженерно-техническим работникам предприятий и научно-исследовательских учреждений.

                                                          УДК 66.017:669
                                                          ББК 30.3







ISBN 978-5-9729-1166-0

    © Бараз В. Р., Филиппов М. А., 2023
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            Оглавление



Предисловие........................................................6

Глава 1. Деформационное упрочнение материалов......................7
    1.1. Теоретическая и реальная прочность материалов.............7
    1.2. Дислокационный механизм упрочнения материалов.............9
     1.2.1. Сопротивление решетки движению дислокаций..............9
     1.2.2. Сопротивление скольжению со стороны других дислокаций. 10
     1.2.3. Влияние примесных атомов (твердорастворное упрочнение)..................................................11
     1.2.4. Влияние частиц выделения (дисперсионное упрочнение)...14
     1.2.5. Влияние дефектов упаковки.............................16
     1.2.6. Влияние границ зерен (зернограничное упрочнение)......17
    1.3. Прочность и плотность дислокаций.........................17
    1.4. Виды деформации..........................................20
     1.4.1. Упругая деформация....................................21
     1.4.2. Пластическая деформация...............................27
      1.4.2.1. Деформация скольжением.............................27
      1.4.2.2. Деформация двойникованием..........................31
    1.5. Структура деформированных металлов и сплавов.............34
    1.6. Изменение механических и физических свойств..............39

Глава 2. Структурные изменения при нагреве деформированного материала.........................................................44
    2.1. Возврат..................................................44
    2.2. Рекристаллизация.........................................47
     2.2.1. Первичная рекристаллизация............................48
     2.2.2. Температурарекристаллизации...........................51
     2.2.3. Собирательнаярекристаллизация ........................53
     2.2.4. Вторичная рекристаллизация............................54
     2.2.5. Величинарекристаллизованного зерна....................55
    2.3. Изменение свойств при нагреве деформированного материала.59
    2.4. Горячая пластическая деформация..........................61
      2.4.1. Структурные изменения сплавав процессе горячей деформации..................................................63


3

      2.4.2. Факторы, влияющие на сопротивление горячей деформации.64
      2.4.3. Преимущества и недостатки горячей деформации.........66

Глава 3. Термическое упрочнение...................................68
    3.1. Общие положения термической обработки....................68
    3.2. Дисперсионное упрочнение ................................72
     3.2.1. Механизм распада пересыщенного твердого раствора......72
     3.2.2. Дисперсионное упрочнение при старении.................81
     3.2.3. Морфология частиц выделения...........................84
    3.3. Упрочнение в результате мартенситного превращения .......85
     3.3.1. Особенности мартенситного превращения.................85
     3.3.2. Деформационные мартенситные превращения ..............90
     3.3.3. Термическое упрочнение сталей.........................92
    3.4. Термомеханическая обработка..............................97

Глава 4. Упрочнение нанокристаллических материалов...............103
    4.1. Истоки создания нанотехнологий..........................103
    4.2. Структурные особенности наноструктурного состояния......107
    4.3. Методы получения наноструктурного состояния ............110
    4.4. Свойства наноматериалов и перспективы их использования .113

Глава 5. Разрушение материалов...................................117
    5.1. Типы разрушения материалов..............................117
    5.2. Дислокационный механизм образования трещин .............118
    5.3. Хрупкоеразрушение.......................................121
    5.4. Вязкое разрушение.......................................123
    5.5. Переход от хрупкого разрушения к вязкому................126
    5.6. Способы борьбы с хладноломкостью........................134
    5.7. Испытания на ударный изгиб..............................136
    5.8. Усталостное разрушение..................................139
     5.8.1. Природаусталостногоразрушения........................141
     5.8.2. Усталостные испытания................................144
     5.8.3. Влияниеразличных факторов наусталость................146
     5.8.4. Способы повышения усталостной прочности..............149
    5.9. Влияние поверхностно-активных веществ. Эффект Ребиндера... 150

4

Глава 6. Трение и контактная прочность........................ 154
    6.1. Трение и его виды.....................................154
    6.2. Классификация видов изнашивания.......................163
    6.3. Структурные превращения металлов при трении...........165
    6.4. Кинетика процессов изнашивания........................167
    6.5. Требования, предъявляемые к износостойким материалам..169
    6.6. Повышение сопротивления изнашиванию...................171
    6.7. Фрикционноеупрочнение.................................173

Список использованной и рекомендованной литературы.............179

Перечень контрольных тестовых заданий..........................180

5

            Предисловие



      Прочность сталей и сплавов является важной функциональной характеристикой и рассматривается в качестве ведущего показателя, определяющего их качество. Использование высокопрочных материалов позволяет решить ряд практических задач, связанных с обеспечением надежности и долговечности машин, механизмов и металлоконструкций, снизить массу металлических изделий и получить очевидные экономические выгоды. Вместе с тем оценка потребительских свойств материалов, используемых в технике, требует знания физической природы их разрушения. Без компетентного понимания этого процесса невозможно обеспечить научное обоснование получения высокопрочного материала, способного гарантированно эксплуатироваться в течение наперед заданного срока и при имеющихся условиях внешнего нагружения. При этом разработка высокопрочных материалов, обеспечивающих повышенную прочность наряду с необходимыми показателями вязкости и пластичности, становится возможной благодаря научным знаниям, базирующимся на современных достижениях металлофизики, металловедения и металлургии.
     Предлагаемое учебное пособие представляет собой расширенный курс лекций «Физические основы прочности, пластичности и разрушения», читаемый на протяжении нескольких лет на кафедре металловедения Уральского федерального университета. Авторы полагают, что перед освоением указанной дисциплины студенты ознакомлены с фундаментальными разделами классического материаловедения. Они включают необходимые знания о кристаллическом строении металлических материалов, теории дефектов кристаллической решетки, процессах фазовых превращений при кристаллизации и в ходе реакций в твердом состоянии, диаграммах фазовых состояний. Подобные изначальные материаловедческие представления окажутся полезными для понимания излагаемых в пособии научных положений. В книге основное внимание уделено рассмотрению современных физических представлений о высокопрочном состоянии металлических материалов, методов упрочнения путем деформации и термической обработки, а также использованием нанотехнологий. Излагаются существующие представления о разрушении материалов и способах предотвращения этого процесса. Рассматриваются вопросы влияния контактного взаимодействия с внешней средой.
     Авторы надеются, что предлагаемое пособие не только окажется полезным учебным материалом для студентов металлургических и машиностроительных направлений, но и может быть использовано выпускниками технических вузов для самообразования.

6

            Глава 1. Деформационное упрочнение материалов


        1.1. Теоретическая и реальная прочность материалов

     Введение в физику металлов представлений о существовании различного рода несовершенств кристаллического строения послужило фундаментальной основой для понимания природы сложных внутренних процессов и формирования разнообразных свойств, характеризующих поведение металлических материалов в реальных условиях их применения. Поэтому детальное знакомство с основными положениями теории дефектов кристаллической решетки и ее практическим применением является необходимым условием успешного освоения курса физического материаловедения.
     Теоретический расчет прочности на сдвиг кристалла впервые был выполнен Я. Френкелем. В основу была положена простая модель двух рядов атомов, которые смещаются относительно друг друга под действием касательного напряжения (рис. 1.1). При этом предполагалось, что атомы верхнего ряда перемещаются относительно нижнего как одно целое, одновременно. Такой механизм принято называть схемой жесткого сдвига.
     На рис. 1.1 межплоскостное расстояние (расстояние между рядами) принято равным а, а расстояние между атомами в направлении скольжения составляет b. Под действием сдвигового напряжения т атомные ряды будут смещаться относительно друг друга
     Если под действием сдвигового напряжения смещение составляет x, то напряжение т будет являться периодической функцией x с периодом b. В наиболее простой форме эта зависимость может быть представлена в виде синусоидальной кривой:


т = k sin(2 д x/b)


      Для малых смещений т = k2дx/b. Используя закон Гука, величину напряжения сдвига можно представить в ином виде: т = Gx/a , где G - модуль сдвига; х/а - деформация сдвига.
      Если приравнять приведенные выражения для т, то k = Gb/2дa; подставляя это значение кв соотношение (1.1), получим


Gb . z„ x , т =----sin( 2л —).
2ла       b


7

Рис. 1.1. Модель сдвига в идеальном кристалле:
1 - исходное состояние; 2-в момент нагружения; 3 - после завершения сдвига

      Максимальное значение т, отвечающее напряжению, при котором решетка переводится в неустойчивое состояние, достигается при смещении b/4, тогда
Т max = Gb/2л a = тКрит ,


где ткрит - критическое напряжение сдвига. Можно принять, что a=b, тогда теоретическое критическое напряжение сдвига приближенно равно G/2л.
      Уточнение приведенного выше расчета путем использования более близкого к действительности закона периодического изменения тв зависимости от х приводит к выражению ткрит = G/30 (расчет по Маккензи), что также на несколько порядков превышает реальное сопротивление сдвигу.
      В табл. 1.1 приведены данные, иллюстрирующие экспериментально измеренные и теоретически рассчитанные значения критического напряжения сдвига для ряда металлов. Как видно, теоретическое значение прочности (полученное для обоих вариантов расчета) на несколько порядков выше действительной величины.

Таблица 1.1

Теоретическое и реальное сопротивление сдвигу металлов

    Металл        Си    Ag    Ni    Fe   Mg     Zn    Cd  
  Ткрит, МПа      1,0  0,6    5,8  29,0  0,8    0,9  0,6  
  (эксперим.)                                             
    G, МПа       46000 29100 78000 69000 17700 37800 26400
Ткрит, МПа  G/2л 7350  4550  12400 11000 2800  6000  4200 
(теоретич.) G/30 1540  970   2600  2300  590   1260   880 

      Указанное существенное расхождение между рассчитанной и действительной прочностью металлов позволяет считать, что использованная при тео


8

ретическом анализе модель не соответствует поведению реальных кристаллов, в которых не реализуется схема жесткого сдвига. Эти обстоятельства послужили основой для разработки теории несовершенств кристаллического строения, позволившей раскрыть сущность явлений, происходящих при пластической деформации, понять причину несоответствия теории и практики и установить физическую природу пластичности и прочности металлических материалов.

        1.2. Дислокационный механизм упрочнения материалов

      Пластическая деформация главным образом протекает по дислокационному механизму, за счет движения дислокаций. В определенных случаях деформация может осуществляться смешанным механизмом (дислокационнодиффузионным) или чисто диффузионным (вакансионным) путем. Деформация вследствие миграции вакансий возможна лишь при высоких температурах, поскольку ее интенсивность будет определяться величиной коэффициента само-диффузии. При средних температурах и малых скоростях нагружения (в условиях развития ползучести) решающую роль играет взаимодействие вакансион-ного (диффузионного) и дислокационного (сдвигового) механизмов деформации.
     Возможна также зернограничная деформация, в основе которой лежат диффузионные потоки точечных дефектов по границам зерен.
     Относительный вклад каждого механизма зависит от температуры и характера нагружения. В обычных условиях (сравнительно невысокие гомологические¹ температуры, не превышающие 0,25 Тпл) пластическая деформация осуществляется путем движения дислокаций. При этом подвижность последних определяет способность металла к пластическому деформированию. Нормальному развитию процесса перемещения дислокаций могут препятствовать различные барьеры. Рассмотрим наиболее важные среди них.

1.2.1. Сопротивление решетки движению дислокаций

      Дислокация при своем движении по плоскости скольжения взаимодействует с периодическим полем решетки. Каждый элементарный акт перемещения дислокации, связанный с преодолением энергетического барьера, сопровождается разрывом и последующим восстановлением межатомных связей.


¹ Гомологическая температура - безразмерная величина, численно равная отношению температуры материала к температуре его плавления, выраженных в градусах Кельвина, т. е. Т/Тпл.

9

       Сопротивление, которое оказывает кристаллическая решетка перемеще-

нию дислокации (сила трения решетки или напряжение Пайерлса) ткрит, равно

т
крит

2G
1 — р

■ехр(—

2,та
(1—р) ь b

. Здесь ткрит — напряжение, необходимое для

движения единичной дислокации, характеризует сопротивление перемещению дислокации со стороны самой решетки:
     G — модуль сдвига;
     р — коэффициент Пуассона;
     a — межплоскостное расстояние;
     Ь — расстояние между атомами в направлении сдвига.

     Следовательно, это напряжение зависит от:
     а)  сил межатомного взаимодействия (через модуль G);
     б)  типа связей между атомами в решетке;
     в)       соотношения a/Ь и является минимальным, если сдвиг осуществляется по плоскостям и направлениям плотной упаковки;
     г)  температуры (через температурную зависимость модуля сдвига G).


1.2.2. Сопротивление скольжению со стороны других дислокаций

     При деформации кристалла плотность дислокаций быстро возрастает благодаря генерированию их источником Франка - Рида. Размноженные дислокации вносят вклад в упрочнение материала в результате взаимодействия с существующими дислокациями и между собой.
     При движении в плоскости скольжения дислокация реагирует со встречными дислокациями, расположенными в других плоскостях, пересекающих действующую. В этом случае дополнительное сопротивление скольжению зависит от напряжения, необходимого для проталкивания дислокации от источника через дислокационный «лес».
     Величина этого напряжения тл определяется выражением


Т = т о + AGb у[р,


где А — константа, то — напряжение, необходимое для движения дислокации при отсутствии других (фактически это напряжение Пайерлса), G — модуль сдвига, Ь — вектор Бюргерса и р — плотность дислокаций.


10

     В результате взаимодействия на дислокациях образуются ступеньки. Их возникновение эквивалентно увеличению длины дислокации и, следовательно, ее энергии. Дислокация со ступенькой будет скользить менее легко. Если же формируется ступенька с краевой ориентацией на винтовой дислокации, то последняя становится особо малоподвижной, т. к. движение порога возможно только неконсервативным путем (переползанием).
     Наконец, важно учитывать вероятность образования в плотноупакован-ных структурах сидячих дислокаций (дислокаций Франка, Ломер - Коттрелла), которые играют роль эффективных препятствий для скользящих дислокаций.

1.2.3. Влияние примесных атомов (твердорастворное упрочнение)

     Все точечные дефекты (вакансии, межузельные атомы, атомы примесей) образуют в решетке поле напряжений и поэтому взаимодействуют с собственным полем дислокации. Такое взаимодействие приводит к понижению упругой энергии кристалла. При этом наиболее важную роль в таком процессе играют примесные атомы. Реакция дислокаций с примесями приводит к перераспределению последних. Такое взаимодействие по своему характеру может быть разнообразным - упругим, химическим и электрическим.
     Упругое взаимодействие обусловлено наличием полей напряжений вокруг дислокации и примесного атома. В результате атомы примеси притягиваются к последней. Анализ показывает, что те примесные атомы замещения, радиус которых больше атомного радиуса металла-растворителя, будут стремиться замещать атомы основы в растянутой области (рис. 1.2 а). При обратном соотношении примесные атомы будут располагаться в сжатой области поля напряжений. Атомы внедрения преимущественно располагаются в растянутой области (рис. 1.2 б). В целом возможно образование локальных группировок примесных атомов, формирующих сегрегации надислокациях (рис. 1.2 в).

        о о о о о            ооооо
        ооооо                ооооо
        О О • О О            ООООО
         О О ф О              ОООО
         ОООО                 ОООО
а              б            в
Рис. 1.2. Образование атмосфер Коттрелла: а - при наличии примесных атомов замещения; б - при наличии примесей внедрения; в - образование скоплений

примесных атомов

11

     Такое взаимодействие называется упругим. Его энергия обратно пропорциональна расстоянию, поэтому примесные атомы стремятся собраться вблизи ядра дислокации, образуя скопления. Такие скопления примесных атомов называются облаками или атмосферами Коттрелла.
     Дислокация, связанная такими атмосферами из примесных атомов, становится малоподвижной. При своем перемещении она стремится увлечь за собой атмосферу Коттрелла, которая в отличие от скользящей дислокации может перемещаться только диффузионным путем. Поэтому скорость движения такой дислокации будет лимитироваться диффузионной подвижностью атомов примеси и, следовательно, зависеть от температуры.
     Приведем примеры такого взаимодействия. Так, хорошо известен метод получения высокопрочного состояния цилиндрических пружин из стальной проволоки методом «наклеп-отпуск». Чтобы обеспечить повышенные свойства таких изделий (прежде всего предела упругости), пружину, навитую из холод-нодеформированной проволоки, обязательно подвергают заключительному отпуску (деформационному старению). Для углеродистой стали с 0,6+0,8 % С такой отпуск обычно проводится при 200+250 °С. В результате наблюдается повышение прочностных свойств, особенно заметно меняется предел упругости (рис. 1.3). Именно эффектом блокирования примесными атомами углерода размноженных волочением дислокаций объясняется подобное изменение свойств - повышение прочностных свойств и снижение пластических. При более высоком нагреве происходит закономерное разупрочнение стали, сопровождающееся повышением пластичности.

Рис. 1.3. Изменение механических свойств холоднодеформированной стальной

проволоки при отпуске

12