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.
4Г
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