Umocnienie stopów cząstkami faz obcych

𝑆_{𝑣- względna powierzchnia granic ziaren (stosunek powierzchni ziarna do jego objętości)} 𝜃- kąt dezorientacji granic ziaren

W praktycznych zastosowaniach umocnienie od podstruktury definiowane jest za pomocą zależności uwzględniających podstawowe parametry procesu odkształcania. Podczas odkształcenia zachodzącego poniżej temperatury rozpoczęcia przemiany austenitu w zakresie dwufazowym bądź ferrytycznym przyrost naprężenia uplastyczniającego stali mikrostopowych pochodzącego od podstruktury można przedstawić za pomocą następującej zależności [58]:

𝜎_𝑆𝐺= 𝜀_𝑎𝑃 ( ^𝑇𝑠

𝑇_𝐹𝐷− 1)^𝑤 (3.18)

gdzie:

𝜀_{𝑎- odkształcenie zakumulowane w ferrycie}

𝑃 - stała zależna od wielkości ziarna ferrytu (dla wielkości ziarna 𝑑 = 5 − 13𝜇𝑚 wartość 𝑃 = 300) 𝑇_𝑠- temperatura rozpoczęcia przemiany austenit- ferryt

𝑇_𝐹𝐷- temperatura ostatniego odkształcenia

𝑤 - stała (dla wielkości ziarna 𝑑 = 5 − 13𝜇𝑚 wartość 𝑤 = 0.3)

3.2. Umocnienie stopów cząstkami faz obcych

Jednym ze sposobów poprawy własności wytrzymałościowych materiałów jest umocnienie pochodzące od cząstek faz obcych, które stanowią źródło silnych barier dla przemieszczających się dyslokacji [59,60]. Występowanie cząstek fazy obcej w strukturze stopów wpływa na wzrost krytycznego naprężenia poślizgu, granicy plastyczności i naprężenia uplastyczniającego przy zaniżonej podatności na odkształcenie plastyczne. Dodatkowo cząstki fazy obcej w znacznym stopniu mogą wpływać na wzrost prędkości zarodkowania podczas przemian fazowych [61], np. poprzez tzw. szpilowanie granic ziaren austenitu czego efektem jest wstrzymanie jego rekrystalizacji statycznej.

Efektywność oddziaływania cząstek faz obcych na umocnienie materiału zależy od: • wielkości cząstek fazy obcej

• rozmieszczenia cząstek w strukturze materiału • składu chemicznego

• stopnia koherencji cząstek fazy obcej z osnową

• odległości pomiędzy poszczególnymi cząstkami na aktywnej płaszczyźnie poślizgu.

Cząstki fazy obcej występujące w materiale mogą mieć dwa różne źródła pochodzenia, efektem tego jest zmiana mechanizmu ich oddziaływania z dyslokacjami. Wyróżnia się dwa podstawowe umocnienia będące częścią umocnienia pochodzącego od cząstek fazy obcej: wydzieleniowe i dyspersyjne.

Mechanizm umocnienia dyspersyjnego jest wynikiem oddziaływania dyslokacji z drobnymi cząstkami faz obcych. W tym przypadku pomiędzy cząsteczkami a osnową występuje niekoherentna granica międzyfazowa. Natomiast w mechanizmie umocnienia wydzieleniowego przemieszczające się dyslokacje oddziałują z cząstkami faz wtórnych wydzielających się z osnowy. Pomiędzy cząstkami wydzielenia a osnową najczęściej mamy do czynienia z koherentną granicą międzyfazową. Dodatkowo w otoczeniu cząstek wydzieleń istnieje sprężyste odkształcenie struktury osnowy i pola naprężeń dalekiego zasięgu.

36

W stalach mikrostopowych dominującym jest umocnienie wydzieleniowe. Do wydzieleń najczęściej występujących w tego typu stalach należą węgliki i azotki Nb, Ti i V. Cząstki wydzieleń biorą udział w procesie umocnienia wydzieleniowego poprzez oddziaływanie na przemieszczające się dyslokacje na drodze różnych mechanizmów tj.:

• przecinanie cząstek fazy obcej przez dyslokacje- mechanizm Motto-Nabarro,

• omijanie cząstek przez dyslokacje pozostawiając wokół nich pętle dyslokacyjne – mechanizm Orowana- Ashbyego,

• omijanie cząstek przez dyslokacje w efekcie zmiany płaszczyzny poślizgu przez wspinanie lub poślizg poprzeczny.

Pierwszą próbę wyjaśnienia działania mechanizmu umocnienia wydzieleniowego w oparciu o koncepcję dyslokacji przedstawił Motto i Nabarro [62]. Sugerowali oni, że umocnienie stopu jest efektem oddziaływania dyslokacji z wewnętrznym polem naprężeń występującym wokół koherentnych cząstek. Gdy wydzielenia są miękkie, koherentne z osnową dyslokacja może je przecinać. Przecięcie cząstek przez dyslokacje powoduje zwiększenie powierzchni styku z osnową. Efektem tego jest utworzenie nowej konfiguracji atomów w sieci krystalicznej, która charakteryzuje się wyższą energią od stanu pierwotnego, przez co następuje wzrost umocnienia materiału. Warunkami koniecznymi do zajścia tego zjawiska są:

• zgodność struktury krystalicznej osnowy i wydzielenia • równoległość systemów poślizgu w osnowie i wydzieleniu • koherencja pomiędzy osnową i wydzieleniem

Przyrost naprężenia stycznego wynikający z obciążenia zewnętrznego siłą działającą na dyslokacje w obecności cząstek o danym promieniu o może być wyrażone następującą zależnością:

𝜏_𝑝=^𝐹_𝑏2𝜆¹ =^𝐹_𝑏¹_𝑟√^𝑓

2= 𝑐√𝑓𝑟 (3.19)

gdzie:

𝑟 - promień cząsteczki wydzielenia

𝜆 - odległość pomiędzy cząstkami wydzielenia 𝑐 - stała zależna od materiału

𝐹 - przyrost siły podczas odkształcania 𝑓 – udział objętościowy wydzieleń

Z czasem teoria Motto- Nabarro została wyparta przez bardziej szczegółowe teorie umocnienia związane z niedopasowaniem koherentnych cząstek.

W przypadku stali mikrostopowych umacnianych wydzieleniowo dominującym jednak jest mechanizm Orowana- Ashbyego [43,63]. Występujące w nim cząstki wydzieleń są twardsze od osnowy, posiadają wyższe moduły ścinania oraz najczęściej są niekoherentne z osnową. Przyrost naprężenia można przedstawić za pomocą tzw. równania Orowana- Ashbyego:

𝜎_𝑝=^{0,538𝐺𝑏𝑓1/2}

𝜅 𝑙𝑛 (^𝜅

37 gdzie:

𝜅 - średnia średnica wydzielonych cząstek

Postać powyższego wzoru zmienia się wraz ze zmianą stopnia koherencji wydzielenia z osnową. Równanie (3.20) dla stali mikrostopowej z dodatkiem Nb (dla wydzieleń niekoherentnych) można zapisać w następującej postaci:

𝜎_𝑝= 𝛽^𝑓1/2_𝜅 𝑙𝑛 (_6,125∙10^𝜅 ₋₄) (3.21)

gdzie: 𝛽 – stała

𝑓 - udział objętościowy wydzieleń (dla stali mikrostopowej z dodatkiem Nb 𝑓 = 1,13 ∙ 10−4[𝑁𝑏])

Rys. 3.11 Schemat przedstawienia oddziaływania mechanizmów Motto-Nabarro oraz Orowana- Ashbyego na umocnienie w funkcji wielkości cząstek fazy obcej [3].

Przyrost umocnienia opisywany mechanizmem Motto- Nabarro jest proporcjonalny do √𝑓𝑟. Przyjmuje się, że oddziaływanie pomiędzy miękkimi wydzieleniami a dyslokacjami prowadzi do wzrostu umocnienia odkształceniowego, co jest istotne z punktu widzenia poprawy własności plastycznych materiałów. Wydzielenia twarde, uwzględniane przez Orowana- Ashbyego (przyrost umocnienia jest proporcjonalny do ^√𝑓_𝑟 ), powodują znaczny wzrost efektów umocnienia a w konsekwencji poprawę własności wytrzymałościowych w czasie procesu odkształcania. Przy danym udziale objętościowym wydzieleń istnieje taki rozmiar cząstek przy którym umocnienie osiąga wartość maksymalną, co schematycznie zostało przedstawione na Rys. 3.11. Przykład oddziaływania cząsteczek wydzieleń z dyslokacjami przedstawiono na Rys. 3.12.

Dodatkowo, podczas przemiany fazowej austenit- ferryt (𝛾 → 𝛼) na styku faz w stali mikrostopowej mogą tworzyć się bardzo drobne węgliki. Powstanie wydzieleń międzyfazowych zachodzi wzdłuż połączenia 𝛾/𝛼 o niższej energii podczas wzrostu ferrytu [64]. Wydzielenia opisywane za pomocą opisanego mechanizmu mogą w znaczący sposób zwiększyć wytrzymałość i ciągliwość stali mikrostopowych. W pracy [65] przedstawiono wyniki, w których występujące nano wydzielenia pozwoliły na osiągnięcie wartości umocnienia wydzieleniowego 300 MPa, zachowując dobre własności plastyczne. Badania zostały przeprowadzone na stali mikrostopowej z dodatkami mikrostopowymi Mo i Ti. Wykazano również, że odkształcenia na gorąco w stali,