Дисперсионное твердение

1 Старение охватывае.т все процессы, происходящие в пересыщенном твердом растворе, — процессы, подготавливающие выделение, и непосредственно процессы выделения. Превращение, при котором происходят только процессы выделения, называется дисперсионным твердением (без сложных подготовительных процессов, о которых речь идет дальше).

Распад пересыщенного твердого раствора, полученного путем закалки, связанный с упрочнением сплава, называют дисперсионным твердением или старением

учитывать, что в них наблюдается концентрированная (сосредоточен пая) усадочная раковина. Слитки гомогенизируют при 700—750°С для устранения внутрикристаллической ликвации. Бронзы, содержащие ~9—11 % А1, а также никель, марганец и железо, могут быть упрочнены термической обработкой (закалкой и дисперсионным твердением). Например, твердость бронзы БрЛЖНЮ-4-4 после закалки с 980 °С и отпуска при 400 °С повышается от НВ 170—200 (1700—2000 МПа) до НВ 400 (4000 МПа).

Так как Э-фаза в начальной стадии превращения образуется в дисперсном состоянии, то связанный с этим эффект упрочнения называется дисперсионным твердением,

(AISI) и К66286 (UNS), содержал, %; 24,97Ni; 13,96Сг; 2,23Ti; l,52Mn; l,30Mo; 0,30V; 0.19А1; 0,05С; 0,54Si; 0,016P; 0,0078; 0,004В, остальное — Fe. Сплав парамагнитен, имеет структуру аустенита и упрочняется дисперсионным твердением. В аустените сплава содержится достаточное количество никеля, что предотвращает мартенситное превращение при охлаждении до 4 К. В процессе старения происходит образование различных фаз, таких как Ni(Ti,Al), №4Mo (Fe, РИС. 1. микроструктура сплава А453 гг\ т; я также вылеяений со-

Искусственное старение. В отличие от естественного старения, к-рое протекает в нек-рых металлич. сплавах при комнатной темп-ре, искусственное старение вызывается после закалки нагревом при повыш. темп-pax.Искусственное старение протекает с выделением атомов растворенного металла из твердого раствора в обособленных группах. Этот процесс иногда наз. дисперсионным твердением (от английского dispersion hardening), стремясь передать в этом термине происходящие в твердом растворе изменения с выделением дисперсных частиц упрочняющей фазы. В отличие от dispersion hardening, процесс естественного старения в англ, терминологии наз. solution hardening (упрочнение с сохранением раствора).

Значительно более высокий уровень коррозионной стойкости имеют высоколегированные аустенитные стали, упрочненные дисперсионным твердением аустенита фазами типа №8 (TiAl).

Стали и сплавы с интерметаллидным упрочнением. Стали, упрочняемые дисперсионным твердением, широко применяются как жаропрочные материалы. Эти стали имеют более высокий уровень прочности по сравнению с аустенитными сталями (сгв > > 100 кгс/мм2; (Т02 > 70 кгс/мм2) и сохраняют достаточную пластичность и вяздость при низких температурах. Значительным препятствием к широкому применению их для изделий криогенной техники является низкая свариваемость. В связи с этим дис-персионно-твердеющие стали такие, как 10Х11Н20ТЗР -(ЭИ696), ХН35ВТЮ (ЭИ787) используются для изготовления несварной аппаратуры — крепежа^ арматуры и др. Режим термической обработки этих сталей при применении в качестве хладостойких материалов должен-быть иным, чем в случае использования их при высоких температурах.

Исследования показали, что а ^ ? превращение наблюдается только в сплавах, содержащих 2% А1. Критические точки Асл и Ас8 оказались равными 745—760° С и 845—885° С. Закалка этих сплавов производилась с температуры 900° С. Остальные сплавы после отжига имели структуру феррит-f карбиды и интер-металлиды. Упрочнение этих сплавов при термической обработке . (закалка, старение) вызывается дисперсионным твердением, а возможно и упорядочением. Были исследованы их структура и механические свойства после закалки с разных температур (820—1100° С) и установлена температура закалки.. Поскольку стали предназначены для азотирования, в таблице приведены свойства после закалки и ложного азотирования.

Изучением механических свойств во всем диапазоне температур отпуска установлено, что ВТМО способствует устранению провзла удар-ной вязкости в рэйоне темперзтур превращения мартенсита и остаточного аустенита, а тзкже устрзнению провзлз вязкости в районе температур упрочнения дисперсионным твердением.

Повышение сто,2 аустенитных нержавеющих сталей достигается двумя путями: дисперсионным твердением, когда в сталь вводят Ti и А1 или V и N, или выделением ег - фазы из а - твёрдого раствора, которому сопутствует а —> 72 превращение; упрочнением в результате выделения дисперсных карбидов (карбидное упрочнение).

представлена на рис. 47. Повышение реальной прочности с возрастанием плотности дислокации объясняется тем, что при этом возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в разных плоскостях и направлениях (см. рис. 10). Такие дислокации будут мешать друг другу перемещаться, и реальная прочность металла повысится. Давно известны способы упрочнения, ведущие к увеличению полезной плотности дислокаций; это — механический наклеп, измельчение зерна и блоков мозаики, термическая обработка и т. д. Кроме того, известные методы легирования (т. е. внедрение в решетку чужеродных атомов), создающие всякого рода несовершенства и искажения кристаллической решетки, также являются методами создания препятствий для свободного перемещения дислокаций (блокирования дислокаций). Сюда же относятся способы образования структур с та;к называемыми упрочняющими фазами, вызывающими дисперсионное твердение и др. Об этих методах более подробно будет сказано «иже. Однако при всех этих способах упрочнения прочность не достигает теоретического значения. Следовательно, в той или иной степени наличие дислокаций в реальном металлическом кристалле является причиной более низкой его прочности по сравнению с теоретической, и одновременно придающей способность пластически деформироваться.

Поясним это схемой, приведенной на рис. 345. Для сплава А закалкой с температуры t3aK получаем раствор с пересыщением, равным ABi при комнатной и АВз при рабочей температурах. В результате пересыщения произойдет дисперсионное твердение, эффект которого в смысле упрочнения может быть весьма различен в зависимости от типа сплава и степени развития процесса распада2.

Дисперсионное твердение 569 Дисперсные материалы 635 Диссоциация 318

После закалки следует отпуск при 550—570 °С, вызывающий превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионное твердение в результате частичного распада мартенсита и выделения дисперсных карбидов, главным образом М,,С (см. рис. 155, г). Это сопровождается увеличением твердости (вторичная твердость). В процессе выдержки при отпуске из остаточного аустеппта выделяются карбиды, что уменьшает его легированность, поэтому при последую щем охлаждении он претерпевает мартепсипюе превращение (при температурах ~150°С). В процессе однократного отпуска только часть остаточного аустенита превращается в мартенсит. Чтобы весь остаточный аустенит перешел в мартенсит и произошел отпуск вновь образовавшегося мартенсита, применяют многократный (чаще трехкратный) отпуск при 550—570 JC. Продолжительность каждого отпуска 45-60 мин. Многократный отпуск повышает прочность

Высокая твердость, полученная при отпуске, сохраняется при последующих нагревах до 600—620 °С, что обеспечивает цысокую теплостойкость инструмента из быстрорежущей стали. В настоящее время, кроме обычной быстрорежущей стали для режущего и штампо-вого инструмента начинают использовать стали (сплавы) на основе системы Fe—Со—W—Мо (например, В11М7К23) с интерметаллнд-ным упрочнением. Фазовый состав такой низкоуглеродистой стали — мартенсит (HRC 30—40) и интерметаллиды (Со, Fe)7(W, Mo)8 или (Со, Fe, Ni)7(W, Mo)6 и Fe.t\V2. Стали требуют высокого нагрева под закалку для растворения интерметаллидов. При отпуске происходит дисперсионное твердение. Интерметаллидные фазы менее склонны к коагуляции при нагреве, чем карбиды, что является одной из причин высокой теплостойкости этих сталей (720—730°С).

Влияние термической обработки на жаропрочность сплавов происходит в результате дисперсионного твердения. Дисперсионное твердение связано со старением пересыщенных твердых растворов, сопровождающимся выделением мелкодисперсных включений упрочняющих фаз (карбидов, нитридов). Эти упрочняющие фазы присутствуют как в виде раздробленных крупных частиц по границам зерен, так и в виде равномерно рассеянных внутри зерен мельчайших частичек (рис. 13.5), повышающих сопротивление пластической деформации при высоких температурах, т. е. повышающих жаропрочность.

Современными методами легирования (т.е. внесения в решетку чужеродных атомов), создающими всякого рода несовершенства и искажения кристаллической решетки, являются методы создания препятствий для свободного перемещения дислокаций (блокирования дислокаций). К данной технологии относятся способы образования структур с так называемыми упрочняющими фазами, вызывающими дисперсионное твердение, и др. Известны следующие методы производства дисперсионно-упрочненных сплавов: порошковые методы, методы взаимодействия твердого металла с газовой средой (метод окисления и азотирования) и металлургические методы (плавка и легирование тугоплавкими металлами).

Группа элементов (хром, молибден, вольфрам, ниобий, титан, алюминий и ванадий) наряду с растворением в а- или у-железе образует соединения с углеродом, железом и другими элементами. Эти соединения, имеющие малую скорость коагуляции и обладающие термической стойкостью, способны сохранять механические свойства сплавов при высоких температурах в течение продолжительного времени. Кроме того, обладая ограниченной растворимостью в твердом растворе, они участвуют в процессах термической обработки, обеспечивая дисперсионное твердение сплавов.

На свойства жаропрочных сталей углерод в целом оказывает положительное влияние. Его способность к большей растворимости в у-железе в твердом растворе по сравнению с растворимостью в «-железе можно выгодно использовать для придания аустенитным сталям способности к дисперсионному твердению в результате термической обработки. Дисперсионное твердение повышает механические свойства стали при нормальной и высоких температурах. Упрочнение аустенитных сталей углеродом происходит за счет образования тугоплавких карбидов (Ме2зСб) хрома, марганца, вольфрама, титана, молибдена и др.

С увеличением количества дефектов (правее точки 1) прочность металлов возрастает Возникающие в различных плоскостях инаправленияхдис-локации будут мешать друг другу перемещаться, что потребует приложения больших напряжений. Движение дислокаций могут тормозить различные препятствия: границы зерен в поликристаллах, границы блоков. Поэтому мелкозернистая сталь прочнее крупнозернистой. Широко известны способы упрочнения, ведущие к увеличению полезной плотности дислокаций: механический наклеп, термическая обработка, легирование (внедрение в решетку чужеродных атомов, создающих всякого рода несовершенства и искажение кристаллической решетки), создание структур с так называемыми упрочняющими фазам'и, вызывающими дисперсионное твердение.

W и Мо в присутствии Сг связывают углерод в специальные труднокоагулируемые при отпуске карбиды типа М^С, МС и задерживают распад мартенсита. Выделение дисперсных карбидов, которое происходит при повышенных температурах отпуска (500...600 "С), вызывает дисперсионное твердение мартенсита. При отпуске ванадий, выделяясь в виде карбидов, усиливает дисперсионное твердение.