Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали

 

Легированными называют стали, в которые кроме железа и углерода вводят легирующие добавки для обеспечения требуемой структуры и придания сталям специальных свойств. Основными легирующими элементами являются Мn, Si, Сг, Ni, W, Мо, Со, Ti, V, Zг, NЬ и др. Большинство легирующих элементов распределяется между ферритом, аустенитом и карбидной фазой.

Твердые растворы легирующих элементов в α–Fe (ОЦК решетка) называются легированным ферритом, а в γ–Fe (ГЦК решетка) – легированным аустенитом. Наибольшей растворимостью в феррите и аустените обладают элементы, имеющие близкие к железу размеры атомов и изоморфные кристаллические решетки. При различии в размерах атомов компонентов до 8 % образуется непрерывный ряд твердых растворов замещения, а при различии до 15…17 % наблюдается их ограниченная растворимость в твердом растворе.

Легированный феррит является основой структуры некоторых нержавеющих сталей и может быть самостоятельной фазой или (и) входить в строение перлита.

Легированный аустенит является основной структурной составляющей многих нержавеющих, жаропрочных и немагнитных сталей.

Элементы с очень малым атомным диаметром (H, B, C, N) образуют с железом твердые растворы внедрения малой концентрации.

Интерметаллиды образуются только в высоколегированных сталях и сплавах со специальными свойствами, в которых они играют роль упрочнителей, однако при этом снижаются пластичность и сопротивление разрушению. В обычных массовых промышленных сталях интерметаллические соединения легирующих элементов не встречаются.

Карбидная фаза. По отношению к углероду легирующие элементы делятся на две группы: карбидообразующие (т. е. образующие соединения железа с углеродом) и некарбидообразующие (графитизирующие).

Легирующие элементы, расположенные в периодической системе Д. И. Менделеева справа от железа (Co, Ni, Cu, Al, Si), не образуют в стали карбидов. Эти элементы, растворяясь в феррите и аустените, образуют твердые растворы замещения. Некарбидообразующие элементы (Si, Al, Сu) понижают устой­чивость цементита и других карбидов.

Карбидообразующие элементы имеют высокую степень химиче­ского сродства к углероду и образуют более прочные и устойчивые при нагревании карбиды, чем карбид железа (цементит).

К карбидообразующим относятся элементы, расположенные в периодической системе слева от железа. По степени способности к карбидообразованию эти элементы располагаются в такой последовательности: Ti, Zr, Nb, V, W, Mo, Cr, Mn. Чем дальше от железа находится легирующий элемент, тем более устойчивые карбиды он образует. Устойчивость карбидов от марганца к цирконию возрастает, а растворимость в феррите, аустените и цементите уменьшается. При небольшом содержании Mn, Cr, Mo, W они растворяются в феррите и цементите, образуя легированный феррит и легированный цементит. В легированном цементите – (Fe, Mn)₃C, (Fe, Cr)₃С и др. – атомы этих элементов частично замещают атомы железа, не изменяя его структуру. При повышении содержания этих элементов (Cr, W, Mo) образуются сложные карбиды следующих типов – (Cr, Fe)₇C_3, (Cr, Fe)₂₃C₆, Fe₃W₃C, Fe₃Mo₃C и др. Легированный цементит и сложные карбиды указанного типа при нагревании сравнительно легко растворяются в аустените.

К сильным карбидообразователям относятся Nb, V, Zr, Ti, которые практически не растворяются ни в феррите, ни в цементите. Они образуют собственные специальные карбиды типа NbC, VC, ZrC, TiC. Даже при очень высокой температуре эти карбиды не полностью растворяются в аустените из-за их высокой энергии межатомной связи, которую в известной степени характеризует их температура плавления (WC – 2900 ^oC, VC – 3100 ^oC, TiC – 3450 °C, ZrC – 3800 °C). Карбиды в сталях являются упрочняющей фазой из-за их высокой твердости и высокого сопротивления сдвигу. Наличие карбидообразующих элементов в стали оказывает также значительное влияние на величину зерна (уменьшая их рост при нагреве) и на процессы, происходящие при термообработке (при нагреве и при охлаждении в процессе отжига и, особенно, при закалке и отпуске). Недостатком карбидов является их хрупкость.

Легирующие элементы по-разному влияют на свой­ства стали.

Марганец повышает прочность, износостойкость, а также глубину прокаливаемости стали при термиче­ской обработке.

Кремний способствует получению более однородной структуры, положительно сказывается на упругих харак­теристиках стали. Кремний способствует магнитным пре­вращениям, а при содержании его в количестве 15...20 % придает стали кислотоупорность.

Хром повышает твердость, прочность, а при термиче­ской обработке увеличивает глубину прокаливаемости, положительно сказывается на жаропрочности, жаростой­кости, повышает коррозионную стойкость.

Никель действует так же, как и марганец. Кроме то­го, он повышает электросопротивление и снижает значе­ние коэффициента линейного расширения.

Вольфрам уменьшает величину зерна, повышает твер­дость и прочность, улучшает режущие свойства при по­вышенной температуре.

Молибден действует аналогично вольфраму, а также повы­шает коррозионную стойкость.

Концентрация некоторых легирующих элементов может быть очень малой. В количестве до 0,1 % вводят Nb, Ti, а содержание бора обычно не превышает 0,005 %. Легирование стали, когда концентрация элемента составляет около 0,1 % и менее называют микролегированием.