4. Структура и свойства легированного феррита | Металлолом

Рис. 19. Распределение атомов внедрения в твердом растворе железа:

1 — атомы в атмосферах Котт­релла; 2 — атомы в твердом растворе (В. И. Саррак,. С. О. Суворова, В. И. Ширя­ев)

Феррит — одна из основных фаз во многих сталях. В кон­струкционных сталях его доля составляет около 95 %, по­этому знание свойств легированного феррита позволит пра­вильно оценить общий уровень свойств сталей.

Легированный феррит представляет собой многокомпо­нентный твердый раствор по типу замещения и внедрения легирующих элементов и примесей в а-железе. Изучению свойств легированного феррита посвящены работы совет­ских ученых А. П. Гуляева, В. С. Меськина, М. М. Штейн – берга и др.

Дислокационные теории упрочнения твердых растворов при легировании (Мотта и Набарро, Флейшера) не дают для сплавов железа совпадения расчетов с экспериментом.

Эмпирически установлено, что количественная оценка упрочнения железа при легировании возможна на основе аддитивного вклада упрочняющего влияния отдельных ле­гирующих элементов на свойства а-твердого раствора же­леза. Так, при одновременном легировании а-феррита ато­мами нескольких (4—5) легирующих элементов их влияние на упрочнение может быть просуммировано:

/=1

Где Kt – коэффициент упрочнения феррита, представляю­щий собой прирост предела текучести при растворении в нем 1 % (по массе) t-того легирующего элемента: С*—кон­центрация t’-того легирующего элемента, растворенного в феррите, % (по массе).

Значения Ki для легирующих элементов, входящих в со­став феррита, приведены ниже:

Элемент C+N P Si Ti Al Cu Mn Cr Ni Mo V

Kf, МПа/1’%

(по массе) . . «4670 690 85 80 60 40 35 30 30 10 3

Необходимо отметить, что при оценке упрочнения фер­рита по приведенной формуле следует брать концентрацию легирующего элемента, растворенного в феррите, а не со­держание этого элемента в стали.

На рис. 20 представлено влияние концентраций элемен­тов замещения на свойства железа высокой чистоты. Эти данные показывают, что в области малых концентраций наибольшее упрочняющее влияние оказывает фосфор, тог­да как хром, находящийся в феррите, в наименьшей степени упрочняет железо.

Прочность феррита сильно зависит от диаметра зерна d. Эта зависимость определяется соотношением Холла— Петча: o^Gi+Kyd-1’2,

Где Oi — напряжение трения или предел текучести в отсут­ствии сопротивления со стороны границы, т. е. предел те­кучести монокристалла; Ky—коэффициент, характеризу­ющий вклад границ зерен в упрочнение.

В графическом выражении зависимости aT=f(d~112) (рис. 21) ст,- представляет собой отрезок, отсекаемый на оси ординат при d~~1/2 =0 (d = оо), a Ky характеризуется тан­генсом угла наклона прямолинейной зависимости.

Рис. 20. Зависимость предела текучести, железа от содержания легирующих элементов замещения (Аллен)

Значение ст,- феррита будет зависеть от твердорастворно – го упрочнения, плотности дислокаций, наличия дисперс­ных частиц, a Ky от наличия примесей внедрения в твердом растворе, блокировки дислокаций примесями, угла разо- риентировки границ. Для низкоуглеродистых сталей, фер­рита технической чистоты значения Ky составляет 0,57—0,73, а для железа высокой чистоты 0,16—0,19 МПаКм.

(6)

Таким образом, чем меньше размер зерна, тем выше должна быть прочность феррита. Эффективность зерногра – ничного упрочнения определяется степенью измельчения зерна.

Важнейшей характеристикой стали является значение порога хладноломкости Тхл или температуры перехода Гпр из вязкого в хрупкое состояние, характеризующее склон­ность стали к хрупкому разрушению.

Влияние размера зерна на склонность сталей и сплавов к хрупким разрушениям вытекает из известной схемы А. Ф. Иоффе, работ советских школ под руководством Н. Н. Давиденкова и Я – Б. Фридмана. Математическая связь критерия разрушения с размером зерна видна из со­отношения

А с учетом уравнения Холла — Петча

Где р — коэффициент, характеризующий характер нагру – жения материала; G — модуль сдвига железа; 7 — эффек­тивная поверхностная энергия трещины.

Если левая часть приведенных соотношений меньше пра­вой, то материал не будет склонен к хрупкому разрушению. Отсюда видно, что повышение всех факторов, приводящих к упрочнению (рост а,, сгт), а также увеличение размера зерна d, прочности блокирования дислокации Ky будут увеличивать левую часть соотношений и, следовательно, приводить к охрупчиванию материала. Поскольку при уп­рочнении значения ст; и K7 растут, то компенсирующим фактором этого вредного влияния может быть лишь умень­шение размера зерна d.

Более того, измельчение зерна положительно сказывает­ся не только на склонности к хрупким разрушениям, но оно одновременно приводит к упрочнению в соответствии с уравнением Холла—Петча. От степени уменьшения значе­ний d по сравнению с возрастанием ст;, ат и Ky будет зави­сеть суммарное влияние упрочнения на склонность стали к хрупким разрушениям. Поскольку значения Ky, Р, 7 меня­ются по-разному в зависимости от легирования, термичес­кой обработки и температуры испытания, то количествен­ная оценка по этим соотношениям затруднена. •

Преобразование соотношений дало возможность свя­зать критическую температуру перехода из вязкого в хруп­кое состояние Тщ, с размером зерна d:

Тп9 = А-ВЫсГ1’2, (9)

Где А и В — коэффициенты, мало зависящие от темпера­туры.

Уравнение дает линейную зависимость Tnp от Ind-1’2. Такая зависимость в настоящее время получена эксперимен­тально для феррита многих сталей (рис. 22).

Многочисленные исследования легированного феррита показывают, что собственно упрочнение феррита при леги­ровании отрицательно сказывается на склонности его к хрупким разрушениям. Однако влияние легирующих эле­ментов на температуру перехода индивидуально.

На рис. 23 приведены данные по влиянию марганца, кремния, хрома, ванадия и никеля на порог хладноломкос­ти железа Г50. В области малых концентраций легирую­щих элементов замещения температура перехода несколь-

О Z Ч в_ 8 Рнс. 23. Влияние легирующих элементов на тем – Легирующий

Пературу перехода T50 железа (А. П. Гуляев) элемент, 7о

Ко снижается, а при большем их содержании заметно повы­шается. Никель в отличие от других легирующих элементов при всех концентрациях существенно понижает порог хлад­ноломкости. Концентрация легирующих элементов, до ко­торой понижается порог хладноломкости феррита для вана­дия и хрома, составляет

Scroll to Top