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 Fe (ОЦК решетка) называются легированным ферритом, а в –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.

Маркировка и классификация легированных сталей

Маркируют легированные стали буквами и цифрами, указывающими ее химический состав. Первые две цифры показывают содержание углерода (для конструкционных сталей —в сотых долях процента, для инструментальных и нержавеющих — в десятых долях), затем ста­вится буква, указывающая на легирующий элемент, после буквы следует цифра, указывающая на среднее со­держание этого элемента в процентах. Если содержание легирующего элемента составляет менее или около 1 %, то за буквой цифра не ставится. Легирующие элементы обозначаются следующими буквами: А — азот, Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д — медь, К — кобальт,

М — молибден, Н — никель, П — фосфор, Р — бор, С — кремний, Т — титан, Ф — ванадий, Х — хром, Ц - цирконий. Ч — редкоземельные металлы, Ц — цирконий, Ю — алюминий. Например, сталь марки 12ХНЗА содержит 0,12 % углерода, до 1,0 % хрома, 3 % никеля, буква А в конце обозначения указывает, что сталь высококачественная.

Легированные стали классифицируют по назначению, химическому составу, равновесной структуре и структуре после охлаждения на воздухе.

По назначению легированные стали делят на:

• конструкционные (машиностроительные, строительные), предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов, а также элементов конструкций, в том числе и строительных;

• инструментальные, используемые для изготовления режущих инструментов, штампов, измерительного инструмента и др.;

• стали и сплавы с особыми (специальными) свойствами (нержавеющие, жаропрочные, теплоустойчивые и др.).

По химическому составу легированные стали классифицируются в зависимости от входящих в состав сталей легирующих элементов: их называют хромистыми, хромоникелевыми, марганцовистыми, ванадиевыми и т. п.

По структуре стали в равновесном состоянии делят на:

• доэвтектоидные (содержащие избыточный феррит), эвтектоидные (имеющие перлитную структуру);

• заэвтектоидные (в структуру входят избыточные вторичные карбиды);

• ледебуритные (составной частью структуры являются первичные карбиды).

По структуре после охлаждения на воздухе легированные стали подразделяют на:

• перлитные (малолегированные);

• мартенситные (среднелегированные);

• аустенитные (высоколегированные);

• аустенито-ферритные.

В большинстве конструкционных сталей феррит при комнатной температуре эксплуатации является основной структурной составляющей, занимающей часто не менее 90 % объема стали. Поэтому от феррита, во многом, зависят свойства стали в целом. Чем больше разница в атомных размерах железа и легирующих элементов, тем больше искажение кристаллической решетки, тем выше твердость, прочность, но ниже пластичность и особенно вязкость феррита.

Установлено, что в основном легирующие элементы повышают твердость феррита (рис. 3.1). Наиболее сильно повышают твердость сталей Mn и Si Cr (рис. 3.1, а) и особенно Ni почти не уменьшают вязкость стали (рис. 3.1, б), никель найболее резко снижаетпорог хиароломкости (рис.3.1, в). Кроме того, Ni, Cr, Mn и некоторые другие элементы, хорошо (растворимые в аустените, повышают его устойчивость при охлаждении, увеличивая прокаливаемость стали.

Рис. 3.1. Влияние легирующих элементов на свойства медленно охлажденного (нормализованного) феррита и порог хладноломкости: а - твердость, б - ударная вязкость, в - порог хладоломкости (по А. П. Гуляеву)

Особенно повышается прокаливаемость при одновременном легировании стали Cr и Ni. Поэтому возможность достижения высокой прочности, пластичности, вязкости, прокаливаемости делает Ni и Cr важнейшими легирующими элементами в конструкционных сталях.

Дата добавления: 2014-01-15