Количественные оценки вкладов различных механизмов в прочность сплавов

Прочностные характеристики железа и стали [1]
2

Цель работы
Оценка вкладов в упрочнение материалов отдельных механизмов при варьировании ответственных за прирост характеристик прочности структурных параметров.
Поставленные задачи.
1. Проанализировать физическую природу основных механизмов упрочнения и описать математические модели, используемые для количественных оценок.
2. Оценить прирост напряжения течения α- и γ-железа при изменении плотности дислокаций в диапазоне 106 - 1012 см-2. Деформационное упрочнение γ-Fe сильнее, чем α-Fe.
3. Установить эффективность твердорастворного упрочнения феррита различными элементами замещения: Mo, Cr, Si, Mn, Ti, V, Ni.
4. Оценить прирост напряжения течения α-Fe при изменении размера зерна, ячеек и субзерен в диапазоне 0,01-100 мкм.
5. На основании расчета прироста напряжения течения железа при варьировании размеров и расстояний между частицами различных нитридов установить наиболее перспективный упрочнитель.
6. Установить возможность упрочнения молибдена некогерентными частицами карбида гафния за счет реализации косвенного механизма.
3

Материалы и методики исследования
Fe
Модификации железа
Программа Microsoft Excel
4

Оценка эффективности деформационного упрочнения феррита и аустенита
Δτд=α∙G∙b∙√ρд,
где α - коэффициент, зависящий от типа решетки; b - вектор Бюргерса; G - модуль сдвига; ρ - плотность дислокаций.
Результаты расчетов для α-железа.
Результаты расчетов для γ-железа.л
5

Зависимость расчетных значений прироста предела текучести от плотности дислокаций для двух модификаций железа
6

Влияние легирующих элементов на твердорастворное упрочнение феррита
Δσт.р = ki∙χ∙Ci,
где ki - коэффициент упрочнения феррита при легировании различными элементами;
χ - коэффициент перераспределения легирующих элементов в твердом растворе по отношению к общей концентрации;
Ci - концентрации элемента в твердом растворе.
ΔσCr = 31∙0,75 = 23,25 МПа;
ΔσMo = 11∙0,65 = 7,15 МПа;
ΔσV = 3∙0,65 = 1,95 МПа;
ΔσTi = 82∙0,0001 = 0,0082 МПа;
ΔσMn = 33∙0,65 = 21,45 МПа;
ΔσNi = 30∙1 = 30 МПа;
ΔσSi = 86∙1 = 86 МПа.
Ti→V→Mo→Mn→Cr→Ni→Si
7

Оценка эффективности упрочнения границами зерен, субзерен и ячеек феррита
эффективность зернограничного упрочнения
Δσтз = 0,63∙d-1/2 (d - размер зерна);
эффективность упрочнения границами субзерен
Δσтс = 0,063∙d-1/2 (d - размер субзерна);
эффективность упрочнения за счет образования ячеистой структуры
Δσтя = 1,5∙10-4∙d-1 (d - размер ячейки).
Результаты расчетов эффективности упрочнения
8

Зависимости прироста предела текучести при упрочнении границами зерен, субзерен или ячеек от их размера
Размер зерна 5-100 мкм, размер ячейки 0,1-1 мкм, размер субзерна 1-10 мкм.
9

Упрочнение железа нитридами по механизму Мотта-Набарро
Δτд.ч. = 2∙ε∙f∙GМ,
где ε - общий параметр несоответствия; f - объемная доля частиц в матрице; GМ - модуль сдвига матрицы.
Характеристики нитридов и железа
10

Упрочнение железа частицами TiN
5
10
15
20
11

Упрочнение железа частицами ZrN
5
10
15
20
12

Упрочнение железа частицами VN
5
10
15
20
13

Упрочнение железа частицами NbN
5
10
15
20
14

Упрочнение железа частицами HfN
5
10
15
20
15

Упрочнение железа частицами TaN
5
10
15
20
16

Зависимость величины предельного упрочнения железа по механизму Мотта-Набарро от объемной доли нитридов в матрице
17

Упрочнение железа нитридами по Оровану
где Ф - коэффициент, характеризующий тип взаимодействия с частицами дислокаций; G - модуль упругости матрицы; b - вектор Бюргерса матрицы; λ, r - соответственно расстояние между центрами и радиус частиц.
18