Сталей по равновесной структуре)

В углеродистых сталях температуры полиморфных превращений (критические 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 диаграммой «Железо–цементит».

Легирующие элементы, растворяясь в α и γ–модификациях Fe, влияют на положение критических точек (А₃ и А₄), что в свою очередь определяет область существования α–фазы (феррита) и γ–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, соответственно сужая область α –фазы и расширяя γ –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 α–фазы (рис. 2.3.1,б). В основном это элементы, имеющие ОЦК решетку подобно α–Fe (Cr, W, V, Mо, Ti и др.).

Видно, что, если содержание легирующих элементов превышает концентрацию 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 результате сильного легирования приобретают особые свойства, например, коррозионностойкие стали аустенитного и ферритного классов.

Очевидно, что такие стали при закалке не претерпевают мартенситного (γ → α) превращения и значит не упрочняются термической обработкой (закалка+отпуск, см. раздел 2.2).

В разделе 2.1 обсуждалась классификация углеродистых сталей по равновесной структуре: доэвтектоидные (структура феррит+перлит), эвтектоидные (перлит) и заэвтектоидные (перлит+вторичный цементит [24] ).

В легированных сталях помимо этих трех классов возможны также стали с аустенитной и ферритной структурами. Как отмечалось, такое принципиальное изменение структуры качественно изменяет свойства высоколегированных сталей.

Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита и температуру

Мартенситного превращения

(классификация сталей по структуре нормализации)

Остановимся на двух важных закономерностях, проявляющихся при легировании сталей.

1. Очевидно, что по сравнению с углеродистыми сталями диффузионная подвижность атомов в легированных сталях подавлена и в тем большей степени, чем выше концентрация легирующих элементов.

Поэтому все легирующие элементы (кроме Со ) замедляют скорость диффузионного распада аустенита (А ® Ф+П, см. раздел 2.2.1), т.е. увеличивают время его минимальной устойчивости (t _min) и соответственно смещают вправо линии С – диаграммы (см. ниже рис. 2.3.3).

2. Все легирующие элементы (кроме Co и Al ), подобно углероду (рис. 2.3.2), снижают (в различной степени) температуры начала ( М_н ) и конца ( М_к ) мартенситного превращения.

 

 

 

 

Рис. 2.3.2. Влияние содержания углерода на температуры начала (М_н) и конца (М_к) мартенситного превращения

 

Обе эти тенденции (смещение линий С – диаграммы и температур М_н и М_к) отражены на рис. 2.3.3. На этом же рисунке проведены линии V_охл., наклон которых характеризует скорость охлаждения образцов стали из аустенитного состояния на спокойном воздухе (такая термическая обработка называется нормализацией).

Этот рисунок поясняет классификацию сталей по структуре нормализации.

Видно, что при относительно небольшом количестве легирующих элементов (рис. 2.3.3,а) охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита на ферритокарбидные смеси (перлитному превращению, см. разд. 2.2.1); такие стали относят к перлитному классу (их большинство, так как из-за небольшого легирования они наиболее дешевы).

При повышенном содержании легирующих элементов (рис. 2.3.3,б)

V_охл.³ V_кр., а так как М_н > 20 ^оС, нормализованная сталь при комнатной температуре приобретает мартенситную структуру – это стали мартенситного класса.

При большом содержании легирующих элементов (особенно Ni, Mn) М_н сдвигается в область отрицательных температур, поэтому после нормализации сталь сохраняет аустенитную структуру (аустенитный класс).

Очевидно различие механических свойств сталей, принадлежащих к этим трем структурным классам.