Легирующие элементы в стали

Легирующие элементы оказывают различное влияние на аллотропические превращения в железе, на карбидную фазу, на фазовые превращения в стали.

По влиянию на аллотропические превращения в железе легирующие элементы разделяют на элементы, дающие открытую область γ-фазы (Мо, Ni, Co, Cu) и замкнутую область γ-фазы (Cr, V, W, Mo, Si, Ti и др.).

Элементы, расширяющие γ-область, повышают точку А₄ и понижают точку А₃. Элементы, сужающие γ-область, понижают точку А₄ и повышают точку А₃.

Легирующие элементы в стали могут находиться в карбидной фазе и в твёрдом растворе в железе (феррите или аустените). К элементам, способным образовывать карбиды, относятся: Mn, Cr, W, V, Mo, Ti и др.

При небольшом содержании карбидообразующие элементы растворяются в цементите с образованием так называемого легированного цементита по общей формуле:

(Fe, M)₃C,

где М—легирующий элемент.

Например, если в цементите растворён Mn, образуется карбид (Fe, Mn)₃С, если растворён Cr, то образуется карбид (Fe, Cr)₃C и т.д.

При увеличении содержания карбидообразующего элемента образуются самостоятельные карбиды данного элемента с углеродом, так называемые специальные карбиды, например Cr₇C₃, Mo₂C, W₂C, VC, TiC и др.

Вольфрам и молибден при их количестве, превышающем предел насыщения цементита, образуют двойные карбиды:

Fe₃W₃C(Fe₂W₂C) и Fe₃Mo₃C(Fe₂Mo₂C)

Карбиды легирующих элементов обладают более высокой твёрдостью, чем карбид железа Fe₃С,

Элементы, не образующие карбидов в стали, Ni, Si, Co, находятся в ней главным образом в твёрдом растворе—в феррите или аустените. Карбидообразующие элементы тоже способны частично растворяться в аустените и феррите. При растворении в феррите происходит замещение атомов железа атомами легирующего элемента.

Легирующие элементы по-разному влияют на механические свойства феррита. Марганец и кремний, значительно повышая твёрдость, одновременно резко снижают вязкость феррита. Вольфрам и молибден незначительно повышают твёрдость, но снижают вязкость феррита. Хром в очень малой степени влияет на твёрдость и вязкость феррита. Никель оказывает наиболее благоприятное влияние на феррит; достаточно интенсивно повышает твёрдость, не снижая при этом вязкости.

Легирующие элементы оказывает влияние на эвтектоидную температуру (положение критической точки А₁), на содержание углерода в эктоиде (точка S на диаграмме железа—цементит) и на максимальное содержание углерода в аустените (точка Е на диаграмме железа—цементит).

Элементы, сужающие γ-область, повышают, а элементы, расширяющие γ-область, понижают критическую точку А₁. Точка S при наличии в стали любого из легирующих элементов сдвигается влево, что приводит к уменьшению содержания углерода в легированном перлите. Точку Е легирующие элементы тоже сдвигают влево, но особенно сильно этот сдвиг наблюдается в сталях, легированных элементами, сужающими область γ-фазы.

Легирующие элементы очень большое влияние оказывают на изотермический распад аустенита. Все элементы, за исключением кобальта, замедляет процесс изотермического распада аустенита. Но в зависимости от способности образовывать карбиды легирующие элементы оказывают принципиально различное влияние на изотермический распад аустенита. Элементы, не образующие карбидов (никель и др.), а также магний, увеличивая устойчивость аустенита, не влияют на характер изотермической кривой, которая остаётся такой же С-образной, как для углеродистой стали, только располагается правее от оси ординат, за исключением Со, сдвигающего диаграмму влево.

Карбидообразующие элементы (Cr, W, Mo, V и др.) не только замедляют распад аустенита, но и изменяют характер кривой изотермического распада. Как видно из кривых, при изотермическом распаде аустенита в сталях, легированных карбидообразующими элементами (в данном случае Cr), наблюдаются две зоны минимальной устойчивости аустенита и между ними зона максимальной устойчивости аустенита.

Увеличивая устойчивость аустенита, легирующие элементы (за исключением кобальта) уменьшают критическую скорость закалки и тем в большей степени, чем дальше от оси ординат располагаются кривые изотермического превращения. Это имеет большое практическое значение, так как чем меньше критическая скорость закалки, тем менее интенсивный охладитель можно применять при закалке. Поэтому легированные стали при закалке охлаждают в масле.

С устойчивостью аустенита и критической скоростью закалки связана и прокаливаемость. Чем больше устойчивость аустенита и меньше критическая скорость закалки, тем глубже прокаливаемость. Поэтому все элементы (за исключением кобальта) увеличивают прокаливаемость.

Большинство элементов (Mn,Cr,Ni и др.) вызывают снижение точки М_н (начало мартенситного превращения) и увеличение количества остаточного аустенита. Элементы Со и Аl повышают положение мартенситной точки М_н. Если точка М_н снижается до нуля, то аустенит при закалке не распадается, и, следовательно, такая сталь при комнатной температуре имеет аустенитную структуру.

Легирующие элементы оказывают также влияние на рост зерна аустенита при нагреве. Все легирующие элементы, за исключением марганца, уменьшают склонность аустенитного зерна к росту. Марганец, наоборот, способствует росту зерна. Элементы, не образующие карбидов в стали (Ni и др.), мало влияют на уменьшение склонности аустенитного зерна к росту. В гораздо большей степени препятствуют росту аустенитного зерна карбидообразующие элементы (Cr, Mo, V, W, Ti), что объясняется чисто механическим препятствием, которое оказывают карбиды росту зерна. Кроме тормозящего действия карбидов, на уменьшение скорости роста аустенитного зерна влияют также оксиды: окись алюминия (Al₂O₃ ),окись титана (TiO₂) и др.

Легирующие элементы оказывают влияние на диффузионные превращения, связанные с выделением и коагуляцией карбидов, происходящие при отпуске закаленной стали. Большинство легирующих элементов (Cr, Mo, и др.) замедляют процесс распада мартенсита. Выделение из твёрдого раствора легированного цементита и последующая его коагуляция происходит более затрудненно, и для этого требуется более высокая температура по сравнению с температурой, при которой происходит выделение и коагуляция цементита углеродистой стали при отпуске. Это объясняется тем, что в углеродистой стали происходит диффузия только углерода, а в легированной стали диффундируют и углерод, и легирующий элемент.

Характерным явлением, наблюдаемым в марганцовистых, хромистых, хромомарганцовистых, хромоникелевых и некоторых других сталях является так называемая отпускная хрупкость. Как видно из кривой изменения ударной вязкости хромоникелевой стали, в зависимости от температуры отпуска наблюдаются две температурных зоны хрупкости: первая—при 250-400⁰С и вторая—при 500-600⁰С. Хрупкость в первой зоне есть результат неравномерного распада кристаллов мартенсита по их границам и в объёме, приводящего к объёмно-напряжённого состояния.

Хрупкость во второй зоне, как это видно из кривой ударной вязкости, проявляется только в том случае, если сталь с температуры отпуска охлаждается медленно. При быстром охлаждении ударная вязкость с повышением температуры непрерывно повышается, и хрупкости не наблюдается.

Хрупкость при медленном охлаждении с температуры высокого отпуска возникает вследствие обогащения приграничных зон зёрен фосфором. Характерной особенностью отпускной хрупкости второй зоны является её обратимость. Если хрупкую сталь вновь нагреть до температуры 500-600⁰С и быстро охладить, то сталь станет вязкой.

Введение в сталь небольшого количества молибдена (0,2-0,3%) или вольфрама (0,5-0,7%) значительно уменьшает склонность к отпускной хрупкости во второй зоне.

Легированием стали (различными элементами в разном количестве) и применением соответствующей термической обработки можно получить по сравнению с углеродистой сталью большую вязкость при одинаковой прочности, большую прочность при одинаковой вязкости и даже более высокие и прочность, и вязкость.

Но преимущество легированных сталей по сравнению с углеродистыми заключаются не только в более высоких механических свойствах. Легированием можно изменить и физико-химические свойства стали, получить сталь нержавеющую, кислотостойкую, жаропрочную, немагнитную, магнитную, с особыми тепловыми и электрическими свойствами.