К дислокационным представлениям о прочности металлических композитов с цементитной дисперсной фазой Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 669.15: 621.785.52

К ДИСЛОКАЦИОННЫМ ПРЕДСТАВЛЕНИЯМ О ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИТОВ С ЦЕМЕНТИТНОЙ

ДИСПЕРСНОЙ ФАЗОЙ Абышев Кирилл Игоревич, аспирант (e-mail: mixtery@mail.ru) Колмыков Валерий Иванович, д.т.н., профессор (e-mail: kolmykovvaleriy@gmail.com) Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия

В данной работе на основе дислокационных представлений о деформации двухфазных структур уточнен механизм повышения прочности диффузионных слоев с цементитной дисперсной фазой, получаемых науглероживанием легированных сталей

Ключевые слова: металлические композиты, дислокации, пластическая деформация, твердые карбидные частицы, металлическая матрица, цементация, нитроцементация, диффузионные слои

Развитие техники требует использования новых материалов, которые обладают уникальными свойствами, позволяющими значительно увеличить долговечность деталей современных машин и, тем самым, содействовать научно-техническому прогрессу. Такими материалами могут быть металлические композиты - материалы с двухфазной структурой, представляющей собой твердые частицы (карбиды, бориды нитриды и др.) в металлической вязкой матрице. Такие композиты могут быть получены различными методами, в частности порошковой металлургией, наплавкой специальными электродами, газотермическим напылением, электрохимическим осаждением многокомпонентных покрытий и др. Наиболее дешевым методом получения металлических композитов является насыщение поверхности стали большим количеством углерода с целью образования в диффузионных слоях большого количества избыточных карбидов. Для реализации названной цели необходимо выполнение двух условий: во-первых, науглероживающая среда должна обладать повышенной активностью; во-вторых, цементуемая сталь должна быть легирована достаточно большим количеством карбидообразующих элементов, позволяющих усвоить углерод, поступающий из активной среды.

В наших работах [1, 2] показано, что при цементации или высокотемпературной нитроцементации сталей, легированных хромом в комплексе с другими карбидообразующими элементами (Mn, Mo, W, V, Ti и др.) в высокоактивных средах в их диффузионных слоях образуются карбидосо-держащие структуры, соответствующие понятию «металлические композиты», в металлической матрице рассредоточено большое количество твердых (карбидных) частиц (рис. 1).

а) б) в)

Рис. 1 Микроструктуры (х500) диффузионных слоев различных сталей, цементованных в высокоактивной углеродистой пасте: а - сталь 30Х; б - сталь 30ХГТ; в - сталь 25Х5МА

Наличие в структуре диффузионных слоев дисперсных частиц оказывает специфическое влияние на их механические и эксплуатационные свойства. Учесть это влияние и прогнозировать прочность карбидосодержащих структур можно с помощью дислокационных представлений о деформации композитов под действием внешних нагрузок.

Известно [3], что в металлических композитах при приложении к ним внешней нагрузки начинается пластическое течение металлической матрицы. Твердые частицы, рассредоточенные в матрице, препятствуют такому течению и, тем самым, увеличивают прочность композита.

Очевидно, что чем больше в композите дисперсных частиц и, соответственно, меньше расстояние между частицами, тем большее усилие (напряжение) требуется для его деформирования. Оценить такое упрочнение можно с помощью теоретической модели, основанной на взаимодействии дислокаций, вызванных деформированием, с непреодолимой преградой на пути их скольжения [4, 5]. Критическое условие этой модели выражается формулой

\Р глл

а = ао+тчт (1)

где а - приложенное к материалу разрушающее напряжение;

а0 - напряжение трения при движении дислокаций в кристаллической решетке металла;

Ор - исходная прочность матрицы (без дисперсных частиц); р - радиус кривизны препятствия (в данном случае - цементитного включения);

Ь - длина линии скольжения.

Приняв за основу представленную модель, для двухфазной структуры можно записать: р = й/2 - радиус кривизны препятствия равен половине

диаметра цементитного включения; о — <г0 = ост - дополнительное напряжение, вызванное стеснением пластической деформации матрицы между близко расположенными частицами (напряжение стеснения); L - расстояние между частицами карбидов в структуре, для рассматриваемого композита можно записать:

оп =

2

N

а

2Ъ

(2)

Полученное выражение можно использовать для анализа влияния Упрочнения матрицы разного типа (например, ферритной и цементит-ной) в металлическом композите.

близко расположенных твердых частиц в структуре на упрочнение матрицы. Для расчетов примем: предел текучести ферритной матрицы без

МПа, предел текучести мартенситной матрицы

включений

М

оРФ=200

оР =500 МПа, диаметр частицы ё изменяется от 1 до 10 мкм, расстояние между частицами изменяется от 5 до 20 мкм. Результаты расчетов представлены на рисунке 2.

I

I

I

I

I

I

I

I

250

200

150

100

50

^ \ \ V \ \ 7

\ \ \л \Х>

\ \ \ 4 ч Г ^ —■ — — . — —__

О 20 Ш 60 80 100 Расстояние между твердыми частицами, мкм

Рис. 2. Зависимость напряжения стеснения пластической деформации твердыми частицами второй фазы от расстояния между частицами: 1 и 1' -Частицы диаметром 1 мкм в мартенситной и ферритной матрице соответственно; 2 и 2' - частицы диаметром 10 мкм в мартенситной и ферритной

матрице соответственно

Как видно из рисунка, расстояние между твердыми частицами в композиционном материале очень сильно влияет на затруднение движения дис-

локаций при пластическом течении матрицы. Особенно сильно торможение дислокаций увеличивается при расстоянии между частицами менее 5 мкм. В этих условиях, т.е. когда твердых частиц в структуре много, а расстояние между ними невелико, дислокации в матрице стеснены настолько, что пластическая деформация становится весьма затруднительной, и для разрушения композита, связанного с растрескиванием карбидных частиц (растрескивание которых возможно только после течения матрицы) требуется резкое увеличение напряжений.

Для того, чтобы определить влияние относительного содержания карбидных частиц в металлическом композите выразим расстояние между частицами L через диаметр этих частиц й, который тоже заметно влияет на уровень дополнительных напряжений в матрице (рис. 2), и объемное содержание твердых частиц в структуре п:

1= \ . (3)

п

Тогда выражение (2) можно переписать в виде

аР _

N

ОСт

а

п

2 й(1-п)'

или

^ст

й 500

'I

§ т 1

^ 300

I

I 200 I

| 100 I

сг

I

N

п

2(1 — п)

(4)

/у

0.5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Относительное количестдо тдердых чостиц 6 структуре композита Рис. 3. Зависимости напряжения торможения дислокаций в металлической матрице от содержания твердых частиц в структуре металлического композита: 1 - ферритная матрица; 2 - мартенситная матрица

В последнем выражении увеличение напряжений, связанное с торможением дислокаций зависит только от содержания карбидной фазы в структуре. В этом состоит удобство использования предлагаемого выражения, т.к. подсчет количества карбидов в структуре не составляет большого труда (например, точечным методом Глаголева). Кроме того, количество карбидов в структуре можно довольно точно определить, зная содержание углерода в стали.

Результаты расчетов, проведенных по выражению (4) представлены на рис.3.

Из рисунка видно, что твердые частицы весьма эффективно повышают прочность (предел текучести) матрицы. При достаточно большом содержании таких частиц (0,85.. .0,9) тип матрицы уже практически не влияет на степень ее упрочнения и материал теряет способность пластически деформироваться. Если может быть осуществлено науглероживание стали до высоких концентраций, обеспечивающих получение названного выше большого количества карбидов, дисперсные частицы которых будут изолированы друг от друга участками твердорастворной матрицы, то возможно получить диффузионные слои на поверхности стальных деталей со структурой, аналогичной спеченным твердым сплавам типа WC-Co. Это имеет очень большое практическое значение, так как такие материалы будут иметь очень высокую твердость и чрезвычайно высокую абразивную износостойкость. Высокотвердые карбидные частицы будут сопротивляться действию абразивных тел, так как твердость карбидов выше твердости многих природных абразивов, а металлическая матрица будет удерживать карбидные частицы на поверхности трения.

Основываясь на дислокационных представлениях о механизме пластической деформации и разрушения металлических материалов, можно прогнозировать удержание или отделение твердых частиц от матрицы при растяжении композитов, что имеет место при скольжении абразивного тела по поверхности композитного материала.

Как показано в работе [9], в сфероидизированных сталях, в структуре которых присутствуют дисперсные карбидные частицы, образование пор в матрице между двумя близко расположенными частицами цементита возможно только после пластической деформации. Механизм образования таких пор объясняется в теории Эшби [10], где показано, что у поверхности раздела матрица-твердое включение, образуются призматические дислокационные петли, которые могут быть зародышами разрушающих трещин. Эти дефекты возникают в результате скольжения пластичной матрицы в малых промежутках между твердыми частицами. Эта теория дает формулу для вычисления остаточного растягивающего напряжения на поверхности раздела, вызванного петлями

СС8(1

°т = — (5)

где а - коэффициент пропорциональности;

£ - деформация; d - диаметр частицы;

I - длина столба призматических петель, в матрице у поверхности частицы.

Данная теория хорошо совпадает с экспериментом и объясняет тот факт, что поры при растяжении сфероидизированных сталей образуются в первую очередь у частиц большего размера. В этом плане, композиционные диффузионные слои, образующиеся при науглероживании стали обладают большим преимуществом, так как в них возникают остаточные напряжения сжатия, величина которых может быть достаточно высока. Это обстоятельство может оказывать значительное влияние на увеличение прочности таких материалов.

Так в работе [1] показано, что в сталях, содержащих карбидные частицы, при охлаждении от 700°С вследствие разности коэффициентов термического расширения карбидов и матрицы возникают структурные сжимающие напряжения, достигающие -140 МПа для карбидов цементитного типа и до -770 МПа для карбидов вольфрама. В экспериментальной работе [11] измерены остаточные напряжения в цементованных слоях стали ХВГ, содержащих большое количество карбидов цементитного типа. В этих слоях при закалке образовались сжимающие остаточные напряжения примерно в 2 раза большие, чем в той же стали без цементации (1750 и 850 МПа).

Экспериментальные данные свидетельствуют, что в материалах с большим содержанием твердых частиц отделение их от матрицы в процессе деформирования маловероятно, как, впрочем, и в материалах с их малым содержанием.

При очень высоком содержании карбидов в сплаве он практически теряет пластичность и разрушается хрупко при гораздо более высоких напряжениях, чем напряжения, вызывающие пластическое течение матрицы. Применительно к изнашиванию при потере пластичности абразивное воздействие на материал (срезание микростружки) прекращается, уступая место истиранию карбидных частиц без их растрескивания и удаления с поверхности композиционного материала. Износостойкость при этом увеличивается на несколько порядков.

Список литературы

1. Kolmykov, V.I. Effect of structural characteristics on abrasive wear resistance and impact strength of facing and carbonitrided coatings [Article] / V.I. Kolmykov, D.N. Romanenko, K.I. Abyshev, V.V. Nasteka // Chemical and Petroleum Engineering / - Volume 50, Issue 9-10, 2015, Pages 610-613.

2. Kolmykov, V.I. Efficiency of surface hardening by carburizing steel objects operating under abrasive wear conditions coatings [Article] / V.I. Kolmykov, D.N. Romanenko, K.I. Abyshev, D.V. Kolmykov, V.V. Bedin // Chemical and Petroleum Engineering / - Volume 51, Issue 1, 28 May 2015, Article number A020, Pages 58-61.

3. Композиционные материалы. Том 1. Поверхности раздела в металлических композитах [Текст] / Редактор А. Меткалф. - Пер. с англ. С. С. Гинзбурга и Э. Я. Ольшанской под ред. И. Л. Светлова. М.: Мир, 1978. - 429 с.

4. Liu, C. T. The strengthening mechanism in spheroidized carbon steels [Article] / C. T.

Liu, J. Gurland // Transactions of the Metallurgical Society of AIME. V. 242, Aug. 1968, № 8. - P. 1535-1542.

5. Liu, С. T. The fracture behavior of spheroidized carbon steels [Article] / С. T. Liu, J. Gurland // Trans. ASM / - Volume 61, 1968, pp 156-167.

6. Hall, E.O. The deformation and ageing of mild steel: III. Discussion of results [Article] / E.O. Hall // Proc. Phys. Soc. / - Volume 64B, 1951, pp. 747 - 753.

7. Petch, N.J. The cleavage strength of polycrystals [Article] / N.J. Petch // J. Iron Steel Inst / - Volume 174, 1953, pp. 25-28.

8. Гольдштейн, М. И. Металлофизика высокопрочных сплавов: учебное пособие для вузов [Текст] / М. И. Гольдштейн, В. С. Литвинов, Б. М. Бронфин; - М.: Металлургия, 1986. - 312 с.: ил. 169.

9. Thomason, P. F. The Influence of Matrix/Particle Cohesive Bond Strength on the Internal Necking Mechanism of Ductile Fracture [Article] / P. F. Thomason // Metal Science / -Volume 5, Issue 1, 01 January 1971, pp. 64-67.

10. Ashby, M. F. Work hardening of dispersion-hardened crystals [Article] / M. F. Ashby // Philosophical Magazine / - Volume 14, Issue 132, 1966, pp. 1157-1178.

11. Переверзев, В. М. Влияние способа цементации на распределение закалочных напряжений в стали ЧВГ [Текст] / В. М. Переверзев, В. Б. Бартенев // Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Минск: БПИ, 1977. c. 66-68.

Abyshev Kirill Igorevich, postgraduate

(e-mail: mixtery@mail.ru)

Southwest state university, Kursk, Russia

Kolmykov Valeriy Ivanovich, Doctor of Engineering Science, Full Professor

(e-mail: kolmykovvaleriy@gmail.com)

Southwest state university, Kursk, Russia

BY THE DISLOCATIONS TO THE STRENGTH OF METAL MATRIX COMPOSITES WITH CEMENTITE DISPERSED PHASE

Abstract. In this study based on the concepts of dislocation deformation of the two-phase structures is refined mechanism for increasing the strength of the diffusion layers with ce-mentite dispersed phase obtained carburizing alloy steels.

Keywords: metal composites, dislocations, plastic deformation, hard carbide particles, metal matrix, carburizing, carbonitriding, diffusion layers.