Упрочнение композиционных материалов при пластической деформации

Высокие механические свойства композиционных материалов в основном определяются прочностными характеристиками армирующих волокон. В связи с этим вопросы упрочнения композиций путем пластической деформации непосредственно связаны с возможностью упрочнения металлических волокон, которое достигается различными видами обработки. Патентирование с последующим холодным волочением позволяет довести предел прочности проволоки из углеродистой стали до 470 кг/мм². Однако технологический процесс при этом предусматривает необходимость нагрева проволоки до температуры закалки, что в применении к композиционным материалам на основе легких сплавов не подходит из-за низкой температуры плавления матрицы.

Наиболее рациональным способом повышения прочностных свойств волокон в композиции является в данном случае холодная пластическая деформация. В настоящее время имеется ряд марок сталей, способных к интенсивному деформационному упрочнению. Среди них широко применяется в промышленности аустенитная нержавеющая сталь Х18Н10Т, состав которой позволяет получать аустенитную структуру при закалке с температур 1050-1150°С. Аустенит стали неустойчив и при определенных условиях, в частности при холодной пластической деформации, может переходить к более равновесному состоянию. Образующаяся при этом мартенситная фаза обладает большей прочностью, твердостью и меньшей пластичностью по сравнению с исходным аустенитом. Образование мартенсита происходит при различных видах обработки металлов давлением: волочении, прокатке, штамповке и др.

Многочисленные экспериментальные данные позволяют считать, что образование мартенсита вызывается напряжениями. Под действием внешних напряжений, величина которых должна непрерывно возрастать, происходит превращение аустенита в мартенсит при температурах выше температуры начала мартенситного превращения при охлаждении. Однако существует температура, выше которой деформация не приводит к мартенситообразованию.

Основными факторами, влияющими на количество образующегося мартенсита, являются температура, при которой производится пластическая деформация, степень деформации и устойчивость аустенита. Понижение температуры и увеличение степени пластической деформации интенсифицируют степень γ—α’ — превращения. Для каждой стали в зависимости от химического состава и термообработки существует определенная оптимальная температура деформации, при которой достигается наиболее интенсивное превращение. Дальнейшее понижение температуры деформации уже не приводит к увеличению количества образующегося мартенсита.

Схема напряженно-деформированного состояния при пластической деформации оказывает существенное влияние на интенсивность мартенситного превращения. При одинаковой по величине степени пластической деформации схема растяжения по сравнению со сжатием способствует образованию большего количества мартенсита. Сжатие в свою очередь при больших степенях деформации вызывает более полное γ—α’  — превращение, чем кручение. При осадке стали ЭИ505 до бочкообразования мартенситным превращением в поперечном сечении образца охвачены только периферийные пластически деформированные участки. Во внутренней части, находящейся в состоянии всестороннего сжатия, превращение отсутствует. При волочении проволоки из стали ЭИ505 распределение мартенсита по сечению неодинаково. Минимальное количество мартенсита расположено по периферии, где действуют сжимающие напряжения, а максимальное — в центре сечения, где преобладают растягивающие напряжения.

В процессе холодной пластическом деформации аустенитных сталей происходит дробление зерен, внутри которых образуется много блоков с высокой плотностью дислокаций. Дальнейшее деформирование сокращает длину пути перемещения дислокаций и увеличивает число элементарных актов пластической деформации в единицу времени по сравнению со сталью, не подвергнутой обработке. В то же время одновременное протекание большого числа элементарных актов пластической деформации обусловливает сохранение удовлетворительной пластичности стали.

Холодная деформация обычных металлов существенно изменяет их структуру, но оставляет неизменной кристаллическую решетку. Некоторые же аустенитные стали типа 18-10, сохраняя ГЦК-решетку (γ) при охлаждении вплоть до комнатной температуры, претерпевают распад аустенита с образованием мартенсита при холодной пластической деформации, что сопровождается заметным упрочнением стали. Степень упрочнения зависит от состава стали.