Концепція високоміцного стану

 

Міцністю називають здатність матеріалів чинити опір пластичній деформації і руйнуванню під дією зовнішнього навантаження.

Підвищення міцності сплавів дозволяє не лише підвищити робочий ресурс деталей і конструкцій, але також зменшити їх перетин і витрату металу. Проте лише висока міцність без необхідного комплексу таких механічних властивостей, як в'язкість, пластичність і тріщиностійкість, не забезпечує надійності конструкцій. У ряді випадків високоміцний стан металу навіть може надавати негативну дію.

Конструкційні матеріали повинні разом з високою міцністю і пластичністю добре чинити опір ударним навантаженням, володіючи запасом в'язкості. При знакозмінних навантаженнях конструкційні матеріали повинні володіти високим опором втомі, а при терті - опором зносу. У багатьох випадках необхідний опір корозії. Враховуючи, що в деталях завжди є дефекти, що є концентраторами напруги, конструкційні матеріали повинні володіти високим опором крихкому руйнуванню і поширенню тріщин. Тому надійність матеріалу в конструкції прийнято характеризувати конструкційною міцністю, під якою розуміють не окремо взяті міцнісні характеристики, а комплекс механічних властивостей, що визначає експлуатаційні можливості виробу. У цьому полягає особливість вимог до конструкційних матеріалів.

Крім того, окрім високої конструкційної міцності, конструкційні матеріали повинні мати високі технологічні властивості: хороші ливарні властивості, оброблюваність тиском, різанням, хорошу зварюваність. Конструкційні матеріали мають бути дешеві і не дефіцитні.

Зі всіх конструкційних матеріалів, вживаних в даний час і прогнозованих в майбутньому, цим, часто суперечливим, вимогам найбільшою мірою відповідають сталі. Лише сталь дозволяє отримувати поєднання високих значень різних механічних характеристик і хорошу технологічність при порівняно невисокій вартості. Тому сталь і в сьогоденні, і в осяжному майбутньому залишиться основним і найбільш поширеним конструкційним матеріалом.

Для більшості конструкційних сталей найважливішими (але не єдиними) параметрами конструкційної міцності є межа текучості σ_т, поріг холодноламкості або температура в'язко-крихкого переходу Т_кр, рівень ударної в'язкості KCU, KCV, КСТ і коефіцієнт інтенсивності напруги К_Іс [9 Солнцев, с.159-160].

Механізми зміцнення

 

У першій половині XX століття високоміцного полягання в сталях добивалися збільшенням вмісту вуглецю, мало звертаючи уваги на їх пластичність і в'язкість, характер зламу і зварюваність.

Відомо, що вуглець утворює із залізом тверді розчини впровадження і є ефективним зміцнювачем. Проте його розчинність у фериті невелика, що призводить до зниження зміцнюючого ефекту. Висока міцність мартенсіту сталі супроводиться зниженням пластичності і в'язкості, що обумовлює необхідність проведення відпустки. При відпустці утворюються карбіди, мартенсіт обідняється вуглецем і знижується дія твердорозчинного механізму зміцнення.

Досить крупні частки цементітного типа, що утворюються, у ферритній матриці твердіші і крихкіші, чим матриця. Тому при вантаженні на поверхні розділу створюється об'ємно-напружений стан, який може наводити до утворення мікротріщин.

Згідно сучасним уявам, деформація визначається рухом дислокацій. Отже, підвищення опору деформації і відповідно високоміцний стан можуть бути досягнуте створенням ланцюга перешкод руху дислокацій.

До основних механізмів зміцнення сталей відносяться: подрібнення зерна, утворення твердих розчинів, виділення часток другої фази, перетворення при термообробці і збільшення щільності дислокацій. Експериментальні дослідження показали, що для більшості сталей діє принцип лінійної аддитивності окремих механізмів зміцнення, тобто вклади окремих механізмів в загальне зміцнення підсумовуються:

 

σ_т = σ₀ + Δσ _{т. р.} + Δσ_д + Δσ_{д. у.} + Δσ_з,

 

де σ₀ - опір кристалічної решітки руху дислокацій (напруга тертя грат, або напруга Пайерлса-Набарро);

Δσ _{т. р. -} зміцнення твердого розчину розчиненими легуючими елементами, або твердорозчинне зміцнення;

Δσ_д - зміцнення за рахунок опору переміщенню дислокацій, або дислокаційне зміцнення;

Δσ_{д. у. -} зміцнення дисперсними частками другої фази, що утворилися при розпаді пересиченого твердого розчину, або дисперсійне зміцнення;

Δσ_з - зміцнення кордонами зерен і субзерен, або зернограничне зміцнення [9 Солнцев, с.160-161]