Механизмы упрочнения сталей

Классификация методов упрочнения металлов

Методы упрочнения условно можно разделить на 6 основных классов упрочнения: 1 класс – с образованием пленки на поверхности; 2 – с изменением химического состава поверхностного слоя; 3 – с изменением структуры поверхностного слоя; 4 – с изменением энергетического запаса поверхностного слоя; 5 – с изменением шероховатости поверхностного слоя; 6 – с изменением структур по всему объему металла.

Классификация методов упрочнения металла
Класс и метод	Процесс
Упрочнение с созданием пленки на поверхности Осаждение химической реакцией Электролитическое осаждение Осаждение твердых осадков из паров Напыление износостойких соединений	Оксидирование, сульфидирование, фосфатирование, нанесение упрочняющего смазочного материала, осаждение из газовой фазы; Хромирование, никелирование, электрофорез, никельфосфатирование, борирование, хромофосфатирование; Электроискровое легирование, термическое испарение, катодно-ионная бомбардировка, прямое электронно-лучевое испарение, реактивное электронно-лучевое испарение, электрохимическое испарение; Плазменное напыление порошковых материалов, детонационное напыление, электронно-дуговое напыление, лазерное напыление;
Упрочнение изменением химического состава поверхностного слоя металла Диффузионное насыщение	Нитрооксидирование, нитроцементация, карбонитрация, карбохромирование, азотирование, хромоазотирование, хромотитанирование, хромосилицирование, хромоалитирование, борохромирование, борирование, цианирование, сульфоцианирование, диффузионное хромирование, диффузионное никелирование, циркосилицирование, бороциркование, легирование маломощными пучками ионов;
Упрочнение изменением структуры поверхностного слоя Физико-термическая обработка Электрофизическая обработка Механическая обработка Наплавка легированным металлом	Лазерная закалка, плазменная закалка; Электроимпульсная обработка, электроэрозионная обработка, ультразвуковая обработка; Упрочнение вибрацией, фрикционно-упрочняющая обработка, дробеструйная обработка, обработка взрывом, термомеханическая обработка, поперечно-клиноваяпрокатка, прокатывание, волочение, редуцирование; Газовым пламенем, электрической дугой, плазмой, лазерным лучом, пучком ионов;
Упрочнение изменением энергетического запаса поверхностного слоя Обработка в магнитном поле	Электроферромагнитная обработка, обработка в импульсном магнитном поле;
Упрочнение изменением шероховатости поверхности Электрохимическое полирование Обработка резанием Пластическое деформирование	Окунанием в ванну в строе электролита; Шлифование, супершлифование, хонингование; Накатка, раскатка;
Упрочнение изменением структуры всего объема металла Термическая обработка при положительных температурах Криогенная обработка	Закалка светлая, обычная, несквозная, сквозная, изотермическая, с самоотпуском, с подстуживанием, с непрерывным охлаждением, ступенчатая. Отпуск высокий, низкий; Закалка с обработкой холодом с температуры закалки или охлаждение с нормальной температуры, термоциклирование:

1. Упрочнение в результате образования твердого раствора:

При образовании твердого раствора предел прочности, текучести и твердость повышаются при сохранении достаточно высокой вязкости. Это объясняется тем, что в неупорядоченном твердом растворе искаженные области решетки вокруг атомов растворенного элемента, находящихся в плоскости скольжения, затрудняют продвижение дислокаций. Упрочнение при образовании твердого раствора может быть определено по формуле Мотто – Набарро:

,

G – модуль сдвига, кгс/мм²; ε – параметр, зависящий от различия размеров атомов растворенного компонента r и растворителя r₀ (ε = (r- r₀)/ r₀); с – атомная концентрация растворенного компонента.

При образовании твердого раствора внедрения прочность во много раз больше, чем при образовании твердого раствора замещения.

2. Размер зерен:

Зависимость предела текучести от размера зерна описывается соотношением Холла – Петча:

,

где d – диаметр зерна; σ₀ и k – постоянные для данного металла.

Формула указывает на то, что эффективным барьером для движения дислокаций в металлах является межзеренная граница. Это объясняется тем, что при переходе через границу изменяется ориентировка плоскости скольжения, а сама граница представляет собой область неупорядоченного расположения атомов.

3. Влияние частиц второй фазы на упрочнение:

Влияние зависит от того, деформируются частицы или нет во время пластического течения сплавов.

Деформируемые частицы. Упрочнение происходит в результате работы, совершаемой дислокацией при перерезании частицы. Эта работа необходима для образования новой поверхности раздела между частицей и матрицей, а также для перестройки межатомных связей внутри самой частицы, которые в свою очередь зависят от степени порядка в частице.

С учетом различных вкладов в упрочнение деформируемых частиц прирост критического напряжения сдвига (Δτ) для сплава определяется следующим выражением:

,

k – постоянная, включающая в себя модуль сдвига и вектор Бюргерса; m, n – постоянные величины; δ – параметр размерного несоответствия между частицей и матрицей; f – объемная доля частиц; r – радиус сферического выделения.

Недеформируемые частицы. В сплавах с недеформируемыми частицами происходит образование дислокационных петель вокруг частиц, если приложено достаточное для этого напряжение. Оставив вокруг, частиц петли, дислокации продолжают скользить в прежнем направлении (эти петли или кольца, естественно, препятствуют движению новых дислокаций). Критическое напряжение (предел текучести σ_т) проталкивания дислокации обратно пропорционально расстоянию R между частицами:

,

где b - вектор Бюргерса дислокации; G - модуль сдвига матричной фазы (α-твердого раствора). По мере того, как расстояние между частицами уменьшается вследствие возникших петель или колец, напряжение, необходимое для продвижения дислокаций между ними, возрастает, что приводит к повышению напряжения сдвига (предела текучести). Упрочнение дисперсными частицами достигает 10^{-2 G кгс/мм2}, но при нагреве до температуры 0,6 – 0,75 Tпл резко снижается.

Модель движения дислокаций в дисперсионно-твердеющих сплавах: а — перерезание дисперсной частицы скользящей дислокацией; б —выгибание и продвижение скользящей дислокации между частицами второй фазы с образованием петель.

4. Массивные частицы или комплексы второй фазы: Эффект обусловлен большими частицами или комплексами второй фазы, такими как перлит в углеродистых или низколегированных сталях. Частицы второй фазы активно участвуют в пластической деформации двухфазной структуры; и в случае перлитных и феррито-перлитных структур ферритные и карбидные составляющие перлита могут испытывать деформацию на различных ее стадиях.

Упрочнение в таких структурах может происходить вследствие упрочнения волокнами, когда одна фаза противостоит деформации и этим вызывает большую деформацию и упрочнение в другой фазе до тех пор, пока в ней самой не начнется процесс деформации; изменения прочности деформирующейся матрицы ввиду перераспределения легирующих элементов между двумя фазами; генерирования дислокаций в матрице вокруг частиц второй фазы с помощью различных механизмов.

5. Упрочнение дислокациями:

Схема зависимости сопротивления деформации от плотности и других дефектов в металлах: 1 – теоретическая прочность; 2 – 4 – техническая прочность (2 – усы; 3 – чистые неупрочненные металлы; 4 – сплавы, упрочненные легированием, наклепом, термической или термомеханической обработкой)

Минимальная прочность определяется некоторой критической плотностью дислокаций а, приближенно составляющей 10⁶ – 10⁸ см^-2. Эта величина относится к отожженным металлам. Величина σ_0,2 отожженных металлов составляет 10^-5 – 10^{-4 G}.

Повышение прочности достигается: 1) созданием металлов и сплавов с бездефектной структурой; 2) повышением плотности дефектов (в том числе и дислокаций), затрудняющих движение дислокаций. В настоящее время удалось получить кристаллы, практически не содержащие дислокаций. Это нитевидные кристаллы небольших размеров: длиной 2 – 10 мм и толщиной от 0,5 – 2,0 мкм, называемые «усами», обладают прочностью, близкой к теоретической. (Так, например, предел прочности нитевидных кристаллов железа составляет 1300 кгс/мм², меди 300 кгс/мм² и цинка 225 кгс/мм², по сравнению с пределом прочности технического железа 30 кгс/мм², меди 26 кгс/мм² и цинка 18 кгс/мм²).

Связь между пределом текучести σ_т и плотностью дислокации и других дефектов ρ выражается формулой:

,

где σ₀ – напряжение сдвига до упрочнения (после отжига); b – вектор Бюргерса; α – коэффициент, зависящий от природы металла, его кристаллической решетки и структуры. Он определяется вкладом различных механизмов торможения дислокаций в общее упрочнение и имеет величину порядка 10^-1.

Плотность дислокаций не должна превышать 10¹²-10¹³ см^-2. При большей плотности в металле образуются трещины.