Упрочнение металлических сплавов

Упрочнение металлических сплавов. Решил назвать статью таким образом, т.к. это название будет охватывать сразу многие металлические материалы: и стали, и никелевые сплавы, и кобальтовые сплавы, бронзы, алюминий и его сплавы и т.д.

Как мы уже знаем (см. статью о важности металлургии), металлы и сплавы на их основе окружают нас везде в современном мире: это детали автомобилей, поездов, самолетов, судов, это детали машин и механизмов, работающих во многих жизненно важных отраслях промышленности, таких, как пищевая, текстильная и строительная...

Для использования металлических материалов в конструкциях и деталях машин и механизмов часто необходимо металлические материалы упрочнять.
Зачем упрочнять? Как упрочнять? Чем упрочнять?

Упрочнение
А упрочнять нужно для получения менее объёмных и более легковесных конструкций и деталей, обладающих теми же свойствами, что и изделия из менее прогрессивных материалов-предшественников.

В статье про стальные чудеса света я упоминал об Эйфелевой башне и похожей на неё башне в Японии, построенной 70 лет спустя. Башня в Японии имеет массу в 2 раза меньше по сравнению с Эйфелевой, что объясняется применением более высокопрочных сталей. Еще одним перспективным направлением является использование высокопрочных сталей в конструкции автомобиля: масса автомобиля меньше, значит меньше и расход топлива. Очень даже здорово! Еще пример, очень актуальный для России, — это трубы большого диаметра для передачи нефти и газа на большие расстояния. Использование высокопрочных сталей способно уменьшить массу трубы при той же способности выдерживать давление газа или жидкости.
Итак, к теме.

Для начала нужно определиться с понятием прочность.

Прочность – «способность материалов сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних нагрузок.» [1, стр. 7].

Мы знаем, что пластическая деформация в кристаллических телах осуществляется за счет движения дислокаций, а значит,  упрочнения металла можно достичь с помощью создания препятствий для их продвижения [2, стр. 29]. Более подробно про дислокации можно прочитать, например, в справочнике [3, стр. 23-48], где все очень подробно написано. Я же, как всегда сильно упрощая, постараюсь изложить суть.

Металл, находясь в твердом состоянии, хоть и имеет кристаллическое строение, все же не является здоровенным скоплением строго расположенных в пространстве атомов в виде кристаллической решетки. Т.е., если мы возьмем отвёртку и мысленно проникнем внутрь нее, то не обнаружим такой картины, что атомы железа идут ровной чередой от одной стороны цилиндра к другому. Реально металл имеет зеренное строение (про это упоминалось в статье «Оценка размера зерна и возможные трудности»), и каждое зерно это отдельный кристалл, кристаллическая решетка которого не является идеальной, и строгий порядок расположения атомов соблюдается далеко не всегда, потому что внутри тела зерна есть дефекты (дислокации, вакансии, атомы примесей, субзёрна, ячейки).

  • зерно — не идеальный кристалл, и внутри  тела зерна есть дефекты (дислокации, вакансии, атомы примесей субзерна, ячейки).

Остановимся на дислокациях. Вот идеальная кристаллическая решетка.

Упрочнение

Рис. Кристаллическая решетка металла.

А вот реальная решетка.

Упрочнение

Рис. Кристаллическая решетка металла с краевой дислокацией

Как видим, есть «лишняя» плоскость, образованная атомами. Называется она экстраплоскостью [2, стр 28], а то, что под ней — краевая дислокация (еще существуют винтовые). И дислокаций таких в реальных металлах видимо-невидимо... Очень часто такие же «экстраплоскости» можно наблюдать в виде новообразовавшейся очереди в банке или поликлинике, когда откуда ни возьмись появляется человек, который, оказывается,  "уже давно занимал", а за ним еще пятеро 🙂

Так, теперь вернемся к нашим решеткам.  Деформация кристалла — это по сути перемещение одних слоев атомов относительно других [2]. В случае идеального кристалла для сдвига одной плоскости относительно другой нужно разорвать все существующие связи между атомами в плоскости, а значит приложить громадные усилия. Поэтому идеальные кристаллы должны быть очень прочными.

Теперь посмотрим на реальный кристалл.

УпрочнениеРис. Схема сдвиговой деформации [2, стр. 29]

При приложении внешней нагрузки дислокация начинает двигаться, т.е. разрыв и восстановление связей между атомами кристаллической решетки происходит поочередно, и получается, что энергия, необходимая для деформации, будет уже гораздо меньше по сравнению с той, что нужно затратить на деформацию идеальной решетки [2, стр. 28]; а наша дислокация бежит по кристаллу подобно волне: переноса массы нет, а движение есть.

Упрочнение
В конце концов, дислокация достигает границы (например, границы зерна), и смещение слоев атомов  выходит на поверхность кристалла.
Что такое дислокации, более-менее понятно, так что теперь вернемся к нашей фразе об упрочнении за счет создания препятствий для движения дислокаций.

"Так как пластическая деформация в кристаллических телах осуществляется движением дислокаций, то упрочнение металла может быть достигнуто путем создания препятствий для их продвижения [2, стр. 29] ".

Такими препятствиями могут быть [3, 47-48]:

  • атомы другого хим. элемента;
  • другие дислокации или их скопления и конфигурации;
  • границы зерен и элементов субструктуры (субзёрен, ячеек);
  • частицы второй фазы.

Получается, добавляя дефекты в кристалл, мы его упрочняем.

Упрочнение

Рис. Схематичная зависимость прочности металла от количества дефектов кристаллической решетки [2,стр. 62].

Из списка выше получаем соответствующий список методов упрочнения металлических материалов [4, стр. 139 и 5, стр. 21-22]:

  • твердорастворное упрочнение (упрочнение за счет легирования);
  • деформационное упрочнение и упрочнение с помощью термообработки (создание дефектов кристаллической структуры с помощью деформации или термообработки);
  • зернограничное и субструктурное упрочнение ;
  • дисперсионное упрочнение или, по-другому, дисперсионное твердение (упрочнение за счет выделения частиц второй фазы).

Теперь вкратце пробежимся по вышеизложенным пунктам.

 

Твердорастворное упрочнение

Атомы легирующих элементов и примесей могут находиться в кристаллической решетке

  • как атомы замещения (атом элемента встает на место атома основного хим. элемента, образующего решетку;
  • как атомы внедрения, находясь в междоузлиях решетки.

И в том и в другом случае происходит искажение кристаллической решетки, и для движения дислокации создается препятствие, такое, как, например, создает “лежачий полицейский” автомобилю.

Упрочнение

 

Деформационное упрочнение

Здесь ограничусь лишь тем, что скажу, что дислокации при своем движении и взаимодействии с другими дислокациями [2, стр. 28] создают новые дислокации, которые затем сами же становятся препятствием для их движения. Это как в метро на переходе: с утра нормально, быстро проскочишь, а в час пик столько народу набежит, что потом и топчутся все у эскалатора, переваливаясь, как пингвины (на Владимирской я частенько бывал одним из таких).

 

Зернограничное упрочнение

Граница зерна является непреодолимым препятствием для движения дислокаций  [1, стр. 116]. И чем больше границ зерен, тем мельче, значит, зерно, и тем больше упрочнение.

Данный метод имеет кое-какое преимущетво перед большинством остальных: зернограничное упрочнение не сопровождается охрупчиванием [1, стр. 114]. Более того, некоторые участки границ зерен во время деформации сами является источником дислокаций [1, стр. 116], а если дислокаций в объеме становится больше, то при своем движении они еще больше начинают друг другу мешать. Опять же упрочнение...

Способов измельчения зерна существует множество. Первый — введение в сталь таких элементов, как алюминий (см. статью про наследственную мелкозернистость сталей), ниобий или титан, которые образуют устойчивые до довольно высоких температур карбиды, нитриды и карбонитриды, которое при нагреве стали, например, под прокатку, являются подложкой для образования новых зерен (для сталей, претерпевающих гамма-альфа превращение). Чем больше будет этих частиц в объеме металла, тем мельче будет зерно. К тому же при дальнейшем нагреве стали эти частицы, находясь на границах зерен, сдерживают рост зерна как сотрудники спецназа, сдерживающие демонстрацию.

Второй способ измельчения зерна — применение термической обработки, например, термоциклирования [1, стр. 115].

В-третьих, существуют различные виды термомеханической обработки (ТМО), одним из разновидностей которой является контролируемая прокатка (КП), направленная как раз на получение мелкого зерна феррита в стали. Про ТМО и КП я напишу в скором времени, так что советую подписаться на обновления блога, чтобы этот светлый момент не упустить :).

На самом деле есть и другие способы, которые можно применять еще на стадии затвердевания стали, но сейчас про это все не буду писать: нужно закругляться — так никакой статьи не хватит...

 

Дисперсионное твердение

Точно так же, как и дислокации, маленькие частицы второй фазы, например, карбиды ванадия или ниобия, являются серьезными камнями преткновения для движения дислокаций, даже не камнями, а скалами.

Выделение  частиц второй фазы происходит при распаде пересыщенного твердого раствора. Если сказать просто, то при определенных условиях (закалка и старение, например) атомам примесей (я сюда и легирующие отношу) становится в решетке тесновато, они выходят из нее, прихватывая с собой другие примесные атомы, и образуют соединения.

Например, в сталях из раствора выходят ниобий, ванадий, прихватывая с собой углерод и азот, и образуют карбонитриды NbxCyNz или VxCyNz, а дислокации об них потом запинаются... В никелевых сплавах из решетки выходят атомы алюминия и вместе с атомами никеля и образуют фазу гамма-штрих- Ni3Al.

 

Упрочнение термообработкой

На самом деле термообработка, и различные виды ТМО приводят в действие сразу несколько механизмов упрочнения. Это и создание повышенной плотности дислокаций, и задержка атомов в кристаллической решетке, или выделение частиц второй фазы.

Все эти механизмы упрочнения не живут каждый своей жизнью, а могут протекать вместе и влиять друг на друга, что чаще всего и есть на самом деле: не бывает абсолютно чистого железа без примесей, которое мы бы захотели упрочнить только деформацией, или не бывает упрочнения чисто легированием. Деформация, например, влияет на выделение второй фазы, и наоборот. Про это (о взаимовлиянии деформации и распада твердого раствора) очень здорово написано в книге [6].

Вот и все на сегодня.

Ссылки

  1. Металлофизика высокопрочных сплавов. Учебное пособие для вузов. Гольдштейн М.И., Литвинов В.С., Бронфин Б.М. М: Металлургия, 1986. 312 с.
  2. Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов. 6-е издание., перераб. и доп. М: Металлургия, 1986. 544.
  3. Металловедение и термическая обработка стали. Справ. изж. — 3-е., перереб. и доп. В 3-х т. Т. II Основы термической обработки/Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г. М: Металлургия, 1983. 368 с.
  4. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. Учебник для вузов. М:Металлургия, 1985, 408 с.
  5. Матросов Ю.И. Литвиненко Д.А., Голованенко С.А. Сталь для магистральных газопроводов, М.: Металлургия, 1989. 288 с.

 

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.





coded by nessus

Рубрика: Механические свойства. Метки: , . Добавьте постоянную ссылку на эту страницу в закладки.

4 отзывов на Упрочнение металлических сплавов

  1. Marina V. пишет:

    Классная статья! А с комментариями автора, сравнениями читается легко и весело!=)

  2. Евгений пишет:

    Действительно, изложено легко о непростом! Молодчина! Радуйтесь, студенты!

  3. Спасибо, Евгений!

  4. Ольга пишет:

    Очень ясно и понятно на элементарных, жизненных примерах. Спасибо!

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *