Вплив легуючих елементів на критичні крапки сталі

Вплив на температуру евтектоідного перетворення

Легуючі елементи істотно впливають на положення критичних крапок у сталі. Зокрема, вони можуть інтенсивно зміщати крапку . Це зв'язано з двома факторами:

- за рахунок розчинення у фериті елементи підвищують або знижують температуру його розчинення при α→γ перетворенні;

-за рахунок розчинення в карбідах елементи підвищують або знижують температуру їхньої дисоціації і розчинення в аустеніті (фіг. 9).

Фіг.9. Вплив легування на положення крапки

Некарбідоутворюючі легуючі елементи (Со, Ni), розчиняючись в цементиті, трохи знижують температуру дисоціації карбідів і знижують температуру α→γ перетворення, отже, знижують температуру крапки

Карбідоутворюючі елементи підвищують температуру дисоціації і розчинення карбідів, тимчасово підвищуючи температуру α→γ перетворення, такім чином, сильно підвищуючи температуру крапки .

Хром при його змісті до 12-13% слабко підвищує температуру крапки , потім різко неї збільшує. Причина полягає в наступному: при малих концентраціях хром знижує температуру α→γ, а при 14% - сильно збільшує температуру дисоціації і розчинення свого карбіду.

Вплив на концентрацію вуглецю в крапках S і E

Легуючі елементи впливають на концентрацію вуглецю в евтектиці і евтектоіді.

Некарбідоутворюючі елементи (Ni, Co, Si) розчиняються у фериті, заміщаючи частину атомів заліза, тобто знижують зміст заліза в евтектоіді і зміщають крапку S уліво.

Карбідоутворюючі елементи при невисокому їхньому змісті впливають аналогично.

Такі елементи, як Mo і W спочатку знижують концентрацію вуглецю в евтектоіді, а потім, створюючи власні карбіди, збільшують її.

Сильні карбідоутворюючі елементи (Ті, Nb, V) незначно розчиняються у фериті, утворюють власні карбіди і зміщають крапку S вправо. Однак, якщо ці елементи розчинені в аустеніті, то вони сильно знижують концентрацію вуглецю в евтектоіді.

Більшість легуючих елементів знижують розчинність вуглецю в γ-Fe, зміщаючи в такий спосіб положення крапки Е в бік менших концентрацій вуглецю (фіг. 10).

Фіг. 10. Вплив легування на зміст вуглецю в евтектоїді.

 

ФАЗИ В ЛЕГОВАНИХ СТАЛЯХ

Карбідна фаза в легованій сталі

Умови карбидоутворення

Стосовно вуглецю легуючі елементи поділяються на три групи:

- графітизуючі елементи, не утворюючі карбіди і що знаходяться у твердому розчині (Si, Ni, Cu, Al);

- нейтральні елементи, що не утворюють карбіди і не викликають графітизацію

(Со);

- карбідоутворюючі елементи.

У сталях карбіди утворюються тільки металами, розташованими в періодичній системі Д.И. Менделєєва лівіше заліза.

Ці метали, як і залізо, відносяться до елементів перехідних груп, але мають менш добудований електроний d-рівень.

Як відомо з курсів фізики і хімії, електрони розташовані навколо ядра атома у виді окремих оболонок. Кожна оболонка розщеплюється на ряд рівнів: s, p, d, f На кожнім рівні розташовується обмежена кількість електронів. Наприклад, електронний d- рівень містить до 10 електронів. При збільшенні номера елемента електрони займають визначені місця по оболонках. Але є елементи, т.зв. елементи перехідних груп, у яких при добудованої зовнішній (валентної) оболонці залишаються вакантними місця на d- рівні попередньої оболонки. До перехідної групи відносяться багато металів.

У процесі карбидоутворення вуглець віддає свої валентні електрони на заповнення d-рівня. Утвориться металевий зв'язок, що визначає металеві властивості карбідів.

Чим лівіше в періодичній системі розташований елемент, тобто чим менш добудована в нього d-оболонка, тим більше стійким є карбід.

Звідси можна сформулювати умови карбідоутворення в сталях:

1. Карбідоутворюючими є тільки метали з електроним d-рівнем, заповненим менше, ніж у заліза.

2. Активність карбідоутворення тим вище і стійкість карбідів тим більше, ніж менш добудований d-рівень атома легуючого елемента.

Таким чином, при наявності декількох карбідоутворюючих елементів у першу чергу утворяться й в останню чергу розчиняються карбіди металів у наступній послідовності:

Fe→Mn→Cr→Mo→W→Nb→V→Zr→Ti

Кобальт і нікель можуть утворювати карбіди, але не в сплавах на залізній основі. Мідь, цинк і срібло мають заповнені d-рівні і карбідів не утворять.

По типу кристалічних грат усі карбіди поділяються на дві групи (фіг. 11).

Фіг. 11. Структура перехідних металів, карбідів і нітридів,

утворених у сталях.

До першої групи відносяться карбіди зі складними кристалічними гратами, часто з непостійним стехіометричним складом. У гратах може знаходитися до сотні атомів. До цієї групи відносяться карбіди типів , , , , де - сума карбідоутворюючих елементів, наприклад , .

Карбіди, утворені як фази впровадження, відносяться до другої групи.

Для всіх карбідоутворюючих елементів, крім Fe, Mn і Cr, відношення атомного радіусу вуглецю до атомного радіусу металу <0,59. З курсу металографії відомо, що при такому співвідношенні атомних радіусів можуть утворюватися фази впровадження.

Карбіди цієї групи мають прості кристалографічні грати і стехіометричний склад типу МС або , наприклад , VС, WС.

Якщо проаналізувати зміну типу кристалічних грат карбідів металів у залежності від положення в періодичній системі Д.И.Менделєєва, то видно, що в міру заповнення d-рівня (ліворуч праворуч) типи кристалічних грат ускладнюються:

ІV-V групи - ГЦК (МС)

VI група -кубічна ()

-гексагональна ()

VII група (Mn) - кубічна ()

- гексагональна ()

-ромбічна ()

VIII група (Fe) - ромбічна ()

-гексагональна ().

Складні карбіди VI-VII груп у сталі в чистому виді не зустрічаються, у тому числі і в вуглецевій сталі. У них частина атомів легуючих елементів заміщається атомами заліза і їх позначають як, наприклад, (Cr,Fе)₂зС₆.

Оцінити імовірність присутності того або іншого карбіду в сталі можна по відношенню атомних концентрацій легуючого елемента і вуглецю (М/С).

М/С	Типи сталей
хромисті	ванадієві	вольфрамові	молібденові
<0,8	(Fe,Сr)3С	(Fе,V)3С	(Fе,W)3С	(Fе,Мо)зС
0,8-1,5	(Fe,Сr)3С + (Fe,Сr)7С3	VС	Fе21W2С6 + (Fе,W)3С	Fе21Мо2С6 + (Fе,Мо)3С
1,5-2,5	(Сr,Fе)7Сз	VС	Fе21W2С6+ (Fe,W)С	Fе2іМо2С6 + (Fе,Мо)С
2,5-5,0	(Сr,Fе)7С3 + (Сr,Fе)23С6	VС	(W,Fе)С	(Fе,Мо)С
>5,0	(Сr,Fе)23С6	VС	(W,Fе)С + (W, Fe)2С	(Fе,Мо)С + (Мо,Fе)2С

Атомну концентрацію можна визначити по формулі:

(С_м/А)

C_ат=--------------------,

І (С_мi / Аi)

де С_м і А - масова концентрація й атомна маса елемента;

С_мi i Аi; - масова концентрація й атомна маса і-елемента.

Як було показано в минулих лекціях, у переважній більшості випадків карбидоутворюючі елементи зменшують граничну розчинність вуглецю в аустеніті до

змістів менш 2%. Тому эвтектика (ледебурит) утвориться вже в порівняно низковуглецевих сталях.

Наприклад, у системі Fе-Сr-С при 2% Сr евтектика з'являється при 1,3% С, а при 15% Сr-при 0,8% С. Однак, тому що зміст вуглецю в евтектиці низький, такі сплави пластичні, обробляються тиском при високих температурах навіть при наявності ледебуриту. Тому ці сплави називають не чавунами, а сталями ледебуритного класу.