В наиболее общем виде они описаны в работе: повышение плотности дислокаций; образование твердых растворов; изменение размера зерна; образование дисперсных частиц второй фазы.
При повышении плотности дислокаций в результате наклепа прочность стали растет из-за появления полей напряжений вокруг скоплений дислокаций и прямого взаимодействия дислокаций в процессе пластической деформации. Упрочнение железа при деформации на 10% составляет примерно 500 Н/мм2.
Образование твердых растворов характерно для легированных сталей. При этом упрочнение феррита вызвано разницей в атомных размерах железа и легирующего элемента, их упругих постоянных, а также химического и электрического взаимодействий. При содержании в стали до 2 % Mn и до 1 % Si прочность феррита можно повысить на 150-200 H/мм2.
Границы зерен в строительных сталях могут иметь резко различные природу и строение. В сталях с феррито-перлитной структурой упрочнение в результате измельчения зерна наиболее эффективно происходит при разделении кристаллов феррита большеугловыми границами. Термически упрочненные стали характеризуются несколькими системами границ зерен: большеугловыми границами действительного аустенитного зерна, малоугловыми границами ферритного субзерна и т. п.
Особо важное значение для повышения прочности строительных сталей имеет механизм упрочнения частицами второй фазы. В строительной стали присутствует весьма широкий набор частиц, различающихся между собой по природе, твердости, размерам, морфологии, распределению и т. д. В первую очередь их следует разделить на агрегатные, где частицы второй фазы окружены несколькими зернами матрицы, и дисперсные, где каждая частица полностью окружена одинаково ориентированной матрицей.
Другой тип агрегатных частиц, которые могут оказывать влияние на механические свойства сталей высокой прочности, — неметаллические включения. Однако упрочняющего действия такие частицы не оказывают и поэтому здесь не рассматриваются.
Важное значение для повышения прочности строительных сталей имеет упрочнение дисперсными частицами. В этом случае увеличение предела текучести зависит от числа частиц, их размера, характера распределения, расстояний между ними, степени несоответствия решеток матрицы и выделившихся частиц. Упрочнение определяется механизмом взаимодействия полос скольжения с выделившимися частицами.
По мнению некоторых авторов, из большого числа механизмов дисперсионного упрочнения наиболее приемлемым для рассматриваемых сталей является механизм Орована, предложенный для расчета упрочнения некогерентными частицами, расположенными на расстоянии значительно большем их радиуса. Типичными частицами подобного вида в строительной стали являются дисперсные карбиды и карбонитриды ванадия и ниобия.
Для оценки эффективности того или иного механизма упрочнения сталей необходимо проанализировать склонность стали к хрупким разрушениям, обусловленным соответствующим механизмом упрочнения.
Сталь разрушается вязко, если левая часть соотношений меньше правой, и хрупко, если левая часть больше. Поэтому при увеличении характеристик в левой части неравенства и соответственно уменьшении в правой части растет склонность стали к хрупкому разрушению.
Рассмотрим влияние различных химических элементов на характеристики хрупкого разрушения. Наибольшее охрупчиваюшее действие оказывают атомы внедрения, поскольку они существенно увеличивают показатели.
Из легирующих элементов, образующих с железом твердые растворы замещения, наиболее интенсивно повышают температуру перехода в хрупкое состояние фосфор и кремний — элементы, обеспечивающие наибольший упрочняющий эффект. Охрупчивание феррита этими элементами связано с их воздействием на σ0. Кроме того, фосфор и кремний затрудняют поперечное скольжение, что приводит к увеличению k. Наконец, фосфор сильно сегрегирует по границам зерен, снижая γ.
Положительное влияние на хладостойкость стали никеля и марганца объясняется главным образом тем, что они ослабляют блокировку дислокаций атомами азота и углерода. Влияние марганца, однако, проследить более сложно, так как он образует сульфиды, способные при определенных условиях сильно охрупчивать сталь.
Вместе с тем необходимо отметить, что влияние легирующих элементов на характеристики разрушения слабее действия микроструктуры, чистоты стали, уровня прочности и существенно зависит от этих факторов. Например, данные статистического анализа влияния элементов не подтверждают мнения о сильном положительном влиянии никеля и отрицательном влиянии кремния на эту характеристику.
Влияние наклепа на хладостойкость достаточно сложно. В отсутствие или при недостаточном количестве атомов внедрения или дисперсных частиц, закрепляющих дислокации, наклеп сам по себе не вызывает интенсивного охрупчивания. Однако при закреплении дислокаций высокой плотности, как это наблюдается в обычных сталях, охрупчивание может быть весьма значительным. Это связано с увеличением к и сг0. Подсчитано, что скопления из 80 одноименных закрепленных дислокаций достаточно для катастрофического снижения сопротивления стали зарождению трещин. Естественно, что наличие подобных скоплений на пути распространения трещины будет энергетически «подпитывать» ее, снижая и сопротивление распространению трещин в сталях.
Измельчение зерна является единственным методом упрочнения, приводящим к повышению сопротивления стали хрупким разрушениям. Действительно, с измельчением зерна уменьшается длина дислокационных скоплений, а следовательно, и концентрация напряжений у границ, особенно при большеугло-вых разориентировках. У низколегированных сталей уменьшение размера зерна на один балл снижает порог хладноломкости на 10-20° С.
Твердые растворы имеют более высокую температуру рекристаллизации, чем чистые металлы. Поэтому при одинаковом режиме термической обработки легированные стали имеют более мелкое зерно, чем углеродистые. Частицы второй фазы, как правило, сдерживают рост зерен. Никель также эффективно измельчает зерно, хотя и не образует стабильных соединений с примесями внедрения. Измельчается зерно и при легировании кремнием. Изменение размеров зерна под влиянием легирующих элементов, содержащихся в твердом растворе, может существенно вуалировать их влияние или воздействие дисперсных частиц на температуру перехода стали в хрупкое состояние.
Рассмотрим влияние частиц второй фазы на хладостойкость металла.
В работе на образцах с F-образным надрезом было оценено влияние перлитных колоний на характеристики разрушения сталей. Установлено, что при увеличении объемной доли перлита повышается температура перехода стали из вязкого в хрупкое состояние, расширяется температурный интервал этого перехода, уменьшается ударная вязкость в вязкой области; при этом ударная вязкость в хрупкой области меняется слабо. Неблагоприятное влияние перлита обусловлено его действием как концентратора напряжений. Авторы работы установили количественное влияние перлита на переход феррито-перлитных сталей из вязкого состояния в хрупкое. В качестве критерия вязкости ими выбрана температура, соответствующая содержанию 50% волокнистой составляющей в изломе образцов с F-образным надрезом.
Содержание углерода в стали следует поддерживать на возможно более низком уровне. Увеличение содержания перлита, как правило, сопровождается уменьшением сопротивления стали разрушению.
Когерентные и полукогерентные жесткие частицы должны усиливать хрупкость матрицы, поскольку они увеличивают к. Кроме того, действуя как концентраторы напряжений, они уменьшают сопротивление стали зарождению трещины. Хорошо известно, что существенно охрупчивают материал крупные частицы, выпадающие по границам зерен, они понижают энергию.
Авторы работы отмечают, что строчечные выделения карбида ванадия, особенно по границам зерен, приводят к существенному повышению порога хладноломкости. Поэтому они считают более целесообразным легировать низкоуглеродистые стали азотом и нитридообразующими элементами, поскольку нитриды ванадия выделяются по границам аустенитных зерен в значительно меньшей степени, чем карбиды ванадия.
Большой интерес представляет действие дисперсных частиц, упрочняющих матрицу. Обычно считают, что дисперсные частицы охрупчивают матрицу; однако общее действие их на хладостойкость благоприятно из-за эффекта измельчения зерна. С точки зрения стимулирования хрупкого разрушения более опасны частицы MnS эллипсовидной формы, действующие как острые надрезы. На практике наблюдались случаи хрупкого разрушения мягкой стали при комнатной температуре под действием таких частиц. Однако частицы сферической формы приводят к незначительному охрупчиванию стали. таким разом, механизмы упрочнения неоднозначно влияют на склонность стали к хрупкому разрушению. Измельчение зерна является универсальным методом, повышающим не только прочность, но и сопротивление стали хрупкому разрушению. Упрочнение же стали, вызванное повышением плотности дислокаций, особенно при сильной блокировке последних, приводит к резкому охрупчиванию материала. Поэтому стали с одинаковой прочностью могут иметь совершенно различное сопротивление хрупкому разрушению, если соответствующий уровень прочности достигается в результате реализации различных механизмов упрочнения.
