Влияние легирующих элементов на превращения в сталях и их

 сво йства.

Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях для изменения ее строения и свойств называются легирующими элементами, а стали их содержащие называют­ся легированными. Если концентрация элементов составляет около 0,1 % и менее, стали принято на­зывать микролегированными. Элемент, присутствующий в стали считается легирующим, если его количество достаточно для того, чтобы оказывать влияние на механические, физико- химические или технологические свойства.

Концентрация некоторых легирующих элементов может быть очень малой. В количестве до 0,1 % вводят Nb, Ti, а содержание бора обычно не превышает 0,005 %.

Появление и широкое распространение легированных сталей обусловлено непрерывным ростом требований, предъявляемых к материалам по мере прогресса техники. Легирование производит­ся с целью изменения механических, физических и химических  свойств.

Необходимый комплекс свойств обычно обеспечивается не только легированием, но и термической обработкой, позво­ляющей получать наиболее оптимальную структуру металла. Ле­гированные стали дороже углеродистых, и поэтому применять их без термической обработки нерационально.

Применение легирующих элементов существенно влияет на себестоимость стали. При использовании тех или иных легирую­щих элементов руководствуются не только их влиянием на свой­ства стали, но их стоимостью и дефицитностью.

Основными легирующими элементами являются Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo, V, А1, Сu, Ti, Nb, Zr, В. Чаще сталь легируют не од­ним, а несколькими элементами, например Сr и Ni, получая хромоникелевую сталь, Сг и Мп - хромомарганцевую сталь, Cr, Ni, Mo, V - хромоникельмолибденованадиевую сталь.

Легирующие элементы, вступая во взаимодействие с железом и углеродом, могут участвовать в образовании различных фаз в легированных сталях:

• легированного феррита - твердого раствора легирующего элемента в Fe_a;

• легированного аустенита - твердого раствора легирующего элемента в Fe_y;

•     легированного цементита - твердого раствора легирующего элемента в цементите или при увеличении содержания легирующего элемента сверх определенного предела - специальных карбидов.

. карбидов  карбидообразующих легирующих элементов: Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Zr.

. при большом содержании легирующих элементов они могут вступать                         во взаимодействие с образованием интерметаллидных фаз.

По влиянию на характер протекания полиморфных превращений все леги­рующие элементы можно разделить на две группы: расширяющие область γ -твердых растворов - аустенитообразующие легирующие элементы и сужающие γ -область (расширяющие область α -твердых растворов) - ферритообразующие легирующие элементы.

К числу аустенитообразующих легирующих элементов отно­сятся Ni, Mn, Со, Сu, С, N. К числу ферритообразующих леги­рующих элементов относятся Cr, Si, Al, Mo, V, Ti, W, Nb, Zr.

При легировании сталей аустенитообразующими элементами в большом количестве в сталях будет отсутствовать ↔ α превращение, и в этом случае стали будут иметь аустенитную структуру при комнатной температуре - аустенитные стали.

Наоборот, при легировании сталей ферритообразующими эле­ментами в большом количестве будет отсутствовать α↔  превращение, и стали приобретут чисто ферритную структуру -ферритные стали.

При комбинированном легировании сталей аустенитообра­зующими и ферритообразующими элементами структура стали будет состоять из аустенита и феррита, а стали будут аустенитно-ферритные.

В большинстве конструкционных сталей феррит при темпера­туре эксплуатации является основной структурной составляющей, занимающей не менее 90 % объема металла. Поэтому от свойств феррита во многом зависят свойства стали в целом. Чем больше разница в атомных размерах железа и легирующего элемента, тем больше искажение кристаллической решетки, тем выше твер­дость, прочность, но ниже пластичность и особенно вязкость фер­рита. Легирующие элементы оказывают влияние на дислокационную структуру металла: может изменяться плотность дислокаций, концентрация вакансий, характер взаимодействия примесей внедрения с дислокациями.Замещая атомы основы, они создают барьеры на пути движущихся дислокаций. От легирования зависит характер и величина межатомного взаимодействия в сплаве, что влияет на подвижность дислокаций. Никель снижает энергию связи углерода с дислокациями, кремний оказывает противоположное влияние. Легирующие элементы меняют энергию дефектов упаковки, обычно снижают её, но в разной степени. Меньшие, чем в никелевом, значения энергии дефекта упаковки в марганцевом аустените обеспечивают больший (в 1,7 раза) эффект деформационного упрочнения. Легирующие элементы, снижающие энергию дефектов упаковки, повышают температуру начала рекристаллизации, у металлов ГЦК при этом уменьшается и скорость установившейся ползучести. Легирующие элементы, растворяясь в феррите повышают его прочность (более интенсивно- Ni, Mn, Si), снижая (за исключением никеля) пластичность и вязкость.

Влияние легирующих элементов (за исключением Со) на кинетику распада переохлажденного аустенита проявляется в повышении его устойчивости, замедлении его распада (Ni, Mn, Si – некарбидообразующие элементы). Карбидооразующие элементы – хром, вольфрам, молибден и др. оказывают не только количественное, но и качественное влияние: изменяется вид диаграммы состояния, проявляющееся в появлении двух максимумов скорости распада переохлажденного аустенита, разделенных областью устойчивости.(рис.12 1)