Дисперсионное упрочнение

При отпуске закаленной легированной стали протекают два противоположных по влиянию на прочность процесса: раз­упрочнение вследствие распада мартенсита и упрочнение в результате выделения дисперсных частиц специальных кар­бидов. Дисперсные карбидные частицы повышают предел текучести стали (твердость, временное сопротивление), так как являются эффективными препятствиями на пути дви­жения дислокации. Эффективность упрочнения обусловли­вается количественным соотношением процессов разупроч­нения и упрочнения.

На рис. 2.10 приведена схема, иллюстрирующая соотно­шение процессов разупрочнения и упрочнения при отпуске легированного карбидообразующими элементами мартенси­та. Если повышение прочности |+Ds_д.ч| в результате вы­деления дисперсных частиц карбидов (рис. 2.10, кривая1) превышает разупрочнение |–Ds_т.р| твердого раствора при отпуске (рис. 20, кривая 2) при повышении температуры суммарное изменение прочности стали (рис.20, кривая 3) будет характеризоваться наличием пика по­вышения прочности. Для приведенного случая при темпе­ратуре отпуска t₂ |+Ds_д.ч| > |–Ds_т.р|. Если эффект упрочнения будет меньше, чем эффект разупрочнения, т.е. |+Ds_д.ч| < |–Ds_т.р|, то на суммарной кривой изменения прочности пика не будет, а будет лишь наблюдаться замед­ление процесса разупрочнения (рис.2.10).

а – |+Ds_д.ч| > |–Ds_т.р|; б – |+Ds_д.ч| < |–Ds_т.р|

Рисунок 2.10 – Изменение прочности вследствие распада мартенсита (1), из–за выделе­ния дисперсных карбидных частиц (2) и суммарное (3) при отпуске закаленной стали (М. И. Гольдштейн)

Для дисперсных частиц определенного фазового соста­ва соотношение между упрочнением и разупрочнением, т.е. результирующая прочность, будет зависеть от содержания легирующего элемента, образующего дисперсную упрочня­ющую фазу. Чем больше такого элемента выделяется в ви­де дисперсной фазы (при сохранении ее размеров), тем больше упрочнение преобладает над разупрочнением. На рис. 2.11 показано влияние содержания ванадия на прочность (твердость) стали 40 после закалки и отпуска.

Минимальная концентрация карбидообразующего эле­мента, при которой упрочнение преобладает над разупроч­нением, зависит от содержания углерода и типа образуемо­го карбида. Так, в низкоуглеродистой стали (0,1–0,15 % С) пик вторичной твердости появляется при 0,1–0,2 % V или 0,08–0,12 % Ni, или 2,5–3,0 % Сr.

Из приведенных примеров видно, что для разных содер­жаний элементов, образующих дисперсную упрочняющую фазу, кривые изменения прочности однотипны. Они разли­чаются только тем, что при большом количестве дисперсных частиц на кривых наблюдается максимум вторичной твердости, а при малом количестве его нет, но при этом происходит замедление падения прочности. В первом слу­чае явление повышения проч­ности обычно характеризуют термином дисперсионное твер­дение, а во втором – термином дисперсионное упрочнение. Термин «дисперсионное упроч­нение» является более общим, так как применим к процессам, при которых выделяется лю­бое количество дисперсных уп­рочняющих частиц, тогда как термин «дисперсионное тверде­ние» – лишь к процессам с та­ким количеством частиц, при котором появляется пик вто­ричной твердости.

Явление дисперсионного уп­рочнения при отпуске протека­ет в сталях, легированных сильными карбидообразующими элементами: Cr, Mo, W, V, Nb, Ti, Zr, а также в сталях, в которых упрочняющими фазами являются также нитриды и интерметаллиды.

Рисунок 2.11 – Влияние температуры отпуска на твердость стали 40 с разным содержанием ванадия (М. И. Гольдштейн)

Необходимо отметить, что пик вторичной твердости мо­жет быть обусловлен и превращением при отпуске остаточ­ного аустенита в мартенсит (вторичная закалка).

Зачастую пик вторичной твердости может быть обус­ловлен и дисперсионным упрочнением и вторичной закал­кой. Такое явление наблюдается, например, при отпуске быстрорежущих сталей.