Упрочняющее легирование

Введение в металлы легирующих добавок увеличивает плотность дислокаций, усиливает их взаимодействие с образованием вокруг них полей напряжений. Эти поля являются барьерами, затрудняющими перемещение дислокаций и пластическую деформацию, благодаря чему происходит упрочнение металла. Влияние плотности дислокаций ρ на предел текучести металла σ_Т выражается уравнением:

,

где σ₀ – предел текучести до упрочнения,

α – коэффициент, учитывающий природу металла,

G – модуль сдвига,

b – вектор Бюргерса.

Если плотность дислокаций превысит величину 10¹² см^–1, то возникает структурная неоднородность их распределения и пересыщение дислокациями отдельных объемов. Из-за этого здесь образуются субмикротрещины, снижающие прочность и создающие склонность к хрупкому растрескиванию.

Для получения комплекса высоких показателей прочности и предотвращения хрупкого разрушения металла необходимо, чтобы барьеры, препятствующие движению дислокаций, при определенных значениях напряжений пропускали дислокации. Благодаря этому могут происходить микропластическая деформация и релаксация напряжений, исключающие хрупкое растрескивание. Подобные ״полупроницаемые״ барьеры формируются путем создания сплавов со структурой твердого раствора, а также за счет использования границ зерен, создания высокодисперсных частиц упрочняющих фаз.

Т в е р д о р а с т в о р н о е упрочнение происходит при введении в металл легирующих элементов, атомы которых могут разместиться в кристаллической решетке металла. Вокруг атомов легирующих элементов образуются поля напряжений, тормозящие движение дислокаций и создающие упрочнение, которое приближенно оценивается с помощью формулы:

,

где ε – относительная разность размеров атомов основного металла и легирующего, растворенного элемента,

С – атомная концентрация растворенного элемента.

Прямопропорциональное повышение прочности с ростом концентрации легирующего элемента характерно для твердых растворов замещения. Однако при образовании твердого раствора внедрения прочность получается в несколько раз больше с одновременным возрастанием хрупкости. Это объясняется более прочной связью атомов внедрения с дислокациями по сравнению с атомами замещения, из-за чего в растворах внедрения вокруг дислокаций возникает повышенная концентрация атомов – атмосфера Коттрелла, препятствующая движению дислокаций.

Ограниченное легирование металлов, когда концентрация одного или нескольких легирующих элементов представляет небольшую величину, позволяет получить твердые растворы со значительным повышением прочности при сохранении достаточного уровня пластичности и вязкости. Этот метод широко используется для создания фазовых основ – матриц, на базе которых получают многие конструкционные стали и другие сплавы.

З е р н о г р а н и ч н о е упрочнение поликристаллического металла связано с различием плоскостей и направлений скольжения в каждом кристаллическом зерне. Из-за этого при действии внешней силы движение дислокаций и деформация, начавшиеся в одном зерне, не могут переходить в соседнее зерно, и дислокации скапливаются у границ. При нарастании силы и напряжений в соседнем зерне возникают новые дислокации так, что их движение и деформация продолжаются. Таким образом, границы кристаллических зерен являются полупроницаемыми барьерами для движения дислокаций, не создающими опасности хрупкого растрескивания.

Протяженность границ зерен возрастает с уменьшением размера зерна, поэтому чем мельче зерно, тем выше прочность металла, что характеризуется уравнением:

,

где σ₀ – напряжение, необходимое для движения свободной дислокации,

k – коэффициент сопротивления движению дислокации,

d – диаметр кристаллического зерна.

Наличие субзерен внутри кристаллического зерна, а также дислокационных ячеек – полигонов со своими субграницами, дополнительно упрочняют металл.

Легирование расплава с целью измельчения зерна представляет модификацию структуры металла, а применяемые небольшие легирующие добавки Ti, V, Zr, Nb (около 0,05%) являются модификаторами. В результате такого микролегирования модификаторы образуют мельчайшие частицы тугоплавких карбидов или нитридов. Они задерживают рост зерна, а также служат дополнительными центрами кристаллизации, за счет чего образуется мелкозернистая структура.

Д и с п е р с и о н н о е упрочнение создается при возникновении внутри твердорастворных кристаллов мелких (дисперсных) частиц новой фазы. Это происходит при условии, если легирующий элемент имеет ограниченную растворимость в основном металле, и его количество превышает предельную растворимость. Тогда при кристаллизации расплава или его охлаждении в твердом состоянии из сплава выделяются частицы избыточной фазы, располагаясь внутри зерна на чужеродных включениях либо на границах субзерен. Они представляют частицы нового твердого раствора или химического соединения, которые препятствуют движению дислокаций и деформации металла. При действии внешних сил и возрастании напряжений дислокации огибают частицы, оставляют вокруг них дислокационные петли, после чего продолжают движение. Это создает повышение прочности сплава, соответствующее уравнению:

,

где σ₀ – напряжение сдвига в матрице сплава,

α – коэффициент, учитывающий вектор Бюргерса и модуль сдвига матрицы,

d – размер частиц,

– объемная доля частиц.

Степень упрочнения возрастает с повышением сложности кристаллической решетки частиц упрочняющей фазы, а также с увеличением равномерности и плотности их распределения в объеме сплава.

Таким образом, легирование металлов обеспечивает наилучшее упрочнение при образовании полупроницаемых барьеров для движения дислокаций путем создания твердого раствора с возникновением полей напряжений, формирования мелкозернистой структуры, получения дисперсных упрочняющих частиц. Это позволяет создавать сплавы, имеющие сочетание высоких показателей прочности, характеристик пластичности и вязкости.