Сталей по равновесной структуре)

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПОЛИМОРФИЗМ ЖЕЛЕЗА (КЛАССИФИКАЦИЯ

КЛАССИФИКАЦИЯ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ПО СТРУКТУРЕ

ТЕМА 2.3. ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

В предыдущих темах 2.1 и 2.2 изучались структура и свойства углероди-стых сталей, в составе которых помимо железа и углерода, (теоретически 0,02…2,14 %С – см. диаграмму «Железо–цементит», рис. 2.1.1; практически 0,05…1,5 %С) содержится лишь небольшое количество (Ј 1,5 %) металлургиче-ских примесей. Их механические свойства определяются содержанием углерода и могут целенаправленно изменяться в широких пределах посредством струк-турных превращений, вызываемых термической обработкой.

Оптимальный комплекс механических свойств достигается завершающей термической обработкой стальных изделий, состоящей из закалки и отпуска. Высокий уровень механических свойств углеродистых сталей в термически упрочненном состоянии позволяет использовать их для широкого круга изде-лий различного назначения (деталей и инструмента). Эти стали технологичны (хорошо свариваются и обрабатываются давлением и резанием) и экономичны, поэтому на их долю приходится около 80 % общего объема производства ста-лей.

Однако существенным недостатком углеродистых сталей является их невысокая прокаливаемость (Ј 12 мм) – способность приобретать мартен-ситную структуру при закалке на определенную глубину изделия (подробнее в разделе 2.3.2). Это ограничивает размеры (сечение) изделий, упрочняемых тер-мической обработкой.

Этот недостаток устраняется легированием стали. Сталь, в которую спе-циально, в определенных концентрациях вводятся примеси – легирующие эле-менты – называется легированной.

Введение даже небольшого количества легирующих элементов влияет на температуры и кинетику (скорость) фазовых превращений и, соответственно, на режимы термической обработки сталей. Значительное легирование специ-альными элементами может привести к качественному изменению структуры и свойств сталей (появлению особых физико-механических свойств).

-

Структура и свойства легированных сталей зависят не только от со-

держания углерода, но также от индивидуальных особенностей и количества

легирующих элементов.

В углеродистых сталях температуры полиморфных превращений (крити-

ческие точки G и N в железе, см. рис. 2.1.1; в сталях их принято обозначать А3 и А4 соответственно) зависят от содержания углерода в соответствии с диаграм-мой «Железо–цементит».

Легирующие элементы, растворяясь в a и g–модификациях Fe, влияют на положение критических точек (А3 и А4), что в свою очередь определяет область существования a–фазы (феррита) и g–фазы (аустенита) – рис. 2.3.1.

Рис. 2.3.1. Влияние легирующих элементов (л.э.) на полиморфизм железа и структуру легированных сталей

Видно, что элементы I группы повышают А4 и понижают А3, со-ответственно сужая область a –фазы и расширяя g –область (рис. 2.3.1,а). Из таких элементов наибольшее практическое значение имеют

-

Ni и Mn (подобным образом влияет и углерод – см. диаграмму «Железо– цементит», рис. 2.1.1).

Элементы II группы снижают А4, повышают А3, в результате расширяется область a–фазы (рис. 2.3.1,б). В основном это элементы, имеющие ОЦК решет-ку подобно a–Fe (Cr, W, V, Mо, Ti и др.).

Видно, что, если содержание легирующих элементов превышает концен-трацию х, то стали при любой температуре имеют аустенитную (рис. 2.3.1,а) либо ферритную (рис. 2.3.1,б) структуры. Обычно это стали, которые в резуль-тате сильного легирования приобретают особые свойства, например, коррози-онностойкие стали аустенитного и ферритного классов.

Очевидно, что такие стали при закалке не претерпевают мартенситного (g ® a) превращения и значит не упрочняются термической обработкой (закал-ка+отпуск, см. раздел 2.2).

В разделе 2.1 обсуждалась классификация углеродистых сталей по

равновесной структуре: доэвтектоидные (структура феррит+перлит), эв-тектоидные (перлит) и заэвтектоидные (перлит+вторичный цементит 1 ).

В легированных сталях помимо этих трех классов возможны также стали с аустенитной и ферритной структурами. Как отмечалось, такое принципи-альное изменение структуры качественно изменяет свойства высоколегирован-ных сталей.