5. ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В СТАЛИ

Легирующие элементы, которые вводятся в сталь для получения требуемой структуры и свойств, могут образовывать с железом следующие фазы:

твердые растворы;

легированный цементит или самостоятельные специальные карбиды;

интерметаллические соединения.

Рис. 91. Схемы влияния легирующих элементов на полиморфизм железа

Влияние легирующих элементов на полиморфные превращения железа. Все элементы, за исключением углерода, азота, водорода, и отчасти бора образуют с железом твердые растворы замещения. Они растворяются в железе и влияют на положение точек определяющих температурную область существования а- и -железа. Легирующие элементы по влиянию на температурную область существования полиморфных модификаций железа можно разделить на две группы.

К элементам первой группы относятся никель и марганец, которые понижают температуру точки и повышают температуру точки . В результате этого по диаграмме состояния железолегирующий элемент наблюдается расширение области -фазы и сужение области существования -фазы (рис. 91, а). Как видно из рис. 91, а, под влиянием легирующих элементов температурная точка повышается до линии солидус, а температурная точка при повышенной концентрации легирующего элемента снижается До нормальной температуры. Следовательно, сплавы, имеющие Концентрацию легирующего элемента больше указанной на рис. 91, а (точка ), не испытывают фазовых превращений и при всех температурах представляют собой твердый раствор легирующего элемента в -железе. Такие сплавы называют аустенитными.

Рис. 92. Диаграммы состояния

Сплавы, частично претерпевающие превращение называют полуаустенитными.

На рис. 92, а, приведена диаграмма состояния сплавов иллюстрирующая описанные изменения в положении критических точек

Элементы второй группы понижают температуру критической точки и повышают температуру точки Это приводит к тому, что при определенной концентрации легирующих элементов (см. точку у на рис. 91, б) критические точки а точнее их интервалы, сливаются, и область у-фазы полностью замыкается. При содержании легирующего элемента большем, чем указано на рис. (точка сплавы при всех температурах состоят из твердого раствора легирующего элемента в -железе. Такие сплавы называют ферритными, а сплавы, имеющие лишь частичное превращение, — полуферритными. На рис. приведена диаграмма состояния сплавов характерная для этой группы элементов.

Рис. 93. Схема влияния легирующих элементов на точку и содержание углерода в эвтектоиде перлите — точка

Легирующие элементы оказывают большое влияние на точку соответствующую температуре перехода перлита в аустенит (рис. 93, а). Никель и марганец снижают температуру и другие элементы повышают температуру (см. рис. 93, а). Легирующие элементы уменьшают эвтектоидную концентрацию углерода (рис. 93, б) и предельную растворимость углерода в аустените, сдвигая точки и Е на диаграмме состояния влево. Как видно из рис. 94, где приведены вертикальные разрезы тройной диаграммы состояния перитектическое, эвтектическое и эвтектоидное превращения протекают не при постоянной температуре, как в двойных системах, а в некотором интервале температур. В системе -фаза о увеличением содержания марганца существует и в области более низких температур. В системе с возрастанием концентрации хрома область существования -фазы сужается. Состав карбидной фазы в марганцовистых сталях соответствует соединению в котором часть атомов железа замещена атомами марганца. В хромистых сталях образуются и специальные хромистые карбиды, состав и структура которых зависят от содержания углерода и хрома. При низком содержании углерода и высоком содержании хрома образуются ферритные стали, не претерпевающие полиморфного превращения (рис. 94, б).

Структура и свойства легированного феррита и аустенита. Основой большинства современных легированных сталей является феррит, легированный одним или несколькими элементами. Легирование феррита сопровождается его упрочнением.

В первом приближении можно считать, что при легировании феррита несколькими элементами их влияние на его упрочнение может быть просуммировано! где — концентрация легирующего элемента, растворенного в феррите, по массе; — коэффициент упрочнения феррита, т. е. прирост при растворении в нем по массе легирующего элемента. Коэффициент имеет следующие значения:

Наиболее сильно повышает от марганец и кремний (рис. 95, а), а хром, находящийся в твердом растворе, по данным разных авторов, снижает или несколько повышает прочность феррита (рис. 95, а). Чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность (см. рис. 80, а). Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость трещиностойкость и повышают порог хладноломкости Содержание легирующих элементов, выше которого ударная вязкость снижается, а порог

(кликните для просмотра скана)

Рис. 95. Влияние легирующих элементов изменение предела текучести феррита (а) и хромоникелевого аустенита (б) (по данным Пиккеринга)

хладноломкости повышается, для ванадия и хрома для кремния для марганца Никель при увеличении его концентрации в твердом растворе понижает порог хладноломкости

При высоком содержании в стали или аустенит может существовать при низких температурах (см. рис. 91, а). Он является основной составляющей (матрицей) многих коррозионно-стойких жаропрочных и немагнитных сталей. Аустенит наиболее сильно упрочняет углерод, растворимость которого в нем достигает при нормальной температуре и азот. Легирующие элементы, растворяясь в у-железе, повышают прочность аустенита при нормальной и высоких температурах (рис. 95, б). Для легированного аустенита характерны низкий предел текучести при сравнительно высоком пределе прочности. Аустенит легко наклепывается, т. е. быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации. Аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения.

Карбидная фаза в легированных сталях. По отношению к углероду легирующие элементы подразделяют на две группы:

1) графитизирующие элементы: (находятся в твердом растворе);

2) карбидообразующие элементы: (расположены по возрастающей степени сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз).

При малом содержании в стали таких карбидообразующих элементов, как и последние растворяются в

Рис. 96. Изотермические сечения тройных диаграмм состояния:

цементите, замещая в нем атомы железа. Состав цементита в этом случае может быть выражен формулой где М — легирующий элемент. Так, при растворении марганца в цементите образуются карбид при растворении хрома — карбид

Марганец может заместить в решетке цементита все атомы железа хром — до 25 ат. %, молибден — до 3 ат. % и вольфрам лишь до Более сильные карбидообразующие элементы практически не растворяются в цементите и образуют самостоятельные специальные карбиды.

При повышенном содержании хрома, вольфрама, молибдена в зависимости от содержания углерода в стали могут образовываться специальные карбиды. На рис. 96 приведены изотермические сечения (при части тройных диаграмм состояния показаны фазовые области, в которых существуют разные карбидные фазы.

Если содержание хрома не превышает то образуется легированный цементит При повышенном содержании хрома образуется специальный карбид при еще большем содержании хрома — карбид (рис. 96, а).

При введении вольфрама и молибдена в сталь в количестве, превышающем предел насыщения цементита этими элементами, образуются сложные карбиды (рис. 96, б и в).

Специальные карбиды, образуемые легирующими элементами, способны растворить железо и другие металлические элементы.

Так, например, карбид при температуре растворяет до образуя сложный карбид а карбид до образуя карбид

Приняты следующие обозначения карбидов: (карбиды цементитного типа), (карбиды, имеющие кристаллическую решетку карбидов хрома), (карбиды с решеткой, в которой атомы металла расположены по типу карбидов вольфрама или молибдена), и, наконец, (карбиды по типу кубической гранецентрированной решетки). Под символом М подразумевается сумма металлических элементов, входящих в состав карбида.

Карбиды, образующиеся в легированных сталях, можно разделить на две группы. К первой группе относятся карбиды типа имеющие сложные кристаллические решетки. Карбиды этой группы сравнительно легко растворяются в аустените при нагреве.

Ко второй группе относятся карбиды типа Эти карбиды относятся к фазам внедрения. В отличие от карбидов первой группы фазы внедрения в реальных условиях нагрева стали почти не растворяются в аустените.

Интерметаллические соединения. При высоком содержании легирующие элементы образуют с железом или друг с другом интерметаллические соединения. Примером таких соединений могут служить и др. В сплавах образуются твердая и хрупкая -фазы, отвечающие соединению (см. рис. 92, б), . В сплавах может образовываться хрупкая -фаза состава и др.