Влияние легирующих элементов на критические точки стали

Классификация легирующих элементов

Согласно общепринятой классификации железо и сплавы на его основе относятся к черным металлам, а все остальные металлы и сплавы на их основе - к цветным. Легирующие элементы – металлы можно условно разделить на следующие группы:

металлы железной группы - к ним относятся металлы кобальт, никель, а также близкий к ним по свойствам марганец;

тугоплавкие металлы - к ним относятся металлы, имеющие температуру плавления выше, чем у железа, т.е. выше 1539°С. Из тугоплавких металлов, наиболее часто используемых в качестве легирующих элементов в стали, можно отметить вольфрам, молибден, ниобий, а также ванадий и хром;

легкие металлы - из этой группы легирующих элементов наиболее часто применяют титан и алюминий;

редкоземельные металлы (РЗМ) - к этой группе относятся лантан, церий, неодим, а также близкие к ним по свойствам иттрий и скандий. Редкоземельные металлы часто используют в виде так называемого мишметалла, содержащего 40-45% церия и 45-50% всех других редкоземельных металлов.

В сплавах железо - углерод классификацию легирующих элементов можно проводить по степени сродства легирующих элементов к углероду по сравнению со сродством к нему железа. По этому признаку различают карбидообразующие и некарбидообразующие легирующие элементы. Карбидообразующие легирующие элементы (Тi, Zr, V, Nb, Та, Сr, Мо, W, Мn), а также железо могут образовывать в стали карбиды. Некарбидообразующие элементы (Сu, Ni, Со, Si, Аl) карбидов в стали не образуют. Склонность к карбидообразованию у легирующих элементов тем сильнее, чем менее достроена d-оболочка у металлического атома.

Рис. 1 - Влияние легирующих элементов на вид g-области диаграммы железо - легирующий элемент.

а - открытая; б - расширенная; в - закрытая; в – суженная.

Легирующие элементы изменяют температуру полиморфных превращений в железе, т.е. точки А₃ и А₄, тем самым влияя на вид диаграмм железо - элемент.

По влиянию легирующих элементов на диаграмму состояния их можно разделить на две группы, каждая из которых в свою очередь делится на две подгруппы. На рис. 1 приведена схема, иллюстрирующая классификацию легирующих элементов по их влиянию на полиморфизм железа.

К первой группе относятся легирующие элементы, расширяющие g-область (рис.1 а, б). Расширение g-области будет происходить в том случае, если легирующий элемент повышает точку А₄ и понижает точку А₃. При этом возможно существование g-фазы во всем интервале концентраций (открытая g-область) и ограничение области существования g-фазы вследствие появления новых фаз и образования гетерогенных областей (расширенная g-область).

Таким образом, легирующие элементы первой группы можно еще разделить на элементы, образующие с железом сплавы со структурой неограниченного гомогенного твердого раствора (рис. 1, а), к ним относятся никель, марганец, кобальт, палладий, платина, и на элементы, образующие сплавы, в которых гомогенная область ограничивается гетерогенной вследствие образования новых фаз (рис. 1, б). К таким элементам относятся: углерод, азот, медь, цинк.

Ко второй группе относятся элементы, сужающие g-область (рис.1 в, г). Сужение g-области будет происходить в том случае, если легирующий элемент понижает точку А₄ и повышает точку А₃. При определенной концентрации легирующего элемента может происходить полное замыкание g-области. В этой группе различают также двойные системы с замкнутой g-областью и гомогенной a-областью (закрытая g-область, рис. 1, б) и системы, в которых g-область ограничена областью гетерогенных структур (суженная - g-область, рис. 1, г).

Таким образом, легирующие элементы второй группы разделяют на элементы, образующие с железом сплавы с полностью замкнутой g-областью и образованием гомогенной a-области (Be, Al, Si, V, Cr, Mo, W, Ti, As, Sn, Sb), и элементы, образующие с железом сплав с суженной g-областью, ограниченной гетерогенной областью (Re).

Легирующие элементы значительно влияютна критические точки в сталях. В частности, они могут интенсивно смещать точку Ас₁ в стали. Подобное влияние легирующих элементов связано с двумя факторами.

Как известно, критическая температура Ас₁ в углеродистой стали отвечает превращению эвтектоидной смеси перлита a+Fе₃С в аустенит путем фазового перехода a®g, диссоциации карбида и растворения углерода в g-железе. С одной стороны, легирующие элементы изменяют температуру a®g -превращения для феррита, входящего в состав эвтектоида (перлита), и, с другой стороны, влияют на температуру диссоциации эвтектоидных карбидов и последующего растворения углерода и легирующих элементов в g-железе.

Рис. 2. Влияние легирования на положение точки Ас1 в стали

Рис. 3. Влияние легирования на содержание углерода в эвтектоиде (Сэ)

Как правило, карбидообразующие элементы повышают температуру диссоциации карбидов, и если при этом они также повышают температуру a®g-превращения, то влияние их на точку Ас₁ особенно сильно (рис. 2).

Некарбидообразующие элементы, растворяясь в цементите, несколько понижают температуру диссоциации карбида. При этом никель и марганец понижают температуру a®g-перехода и, следовательно, снижают точку Ас₁. Своеобразно влияние хрома на точку Ас₁. Хром до 12—13% сравнительно слабо повышает точку Ас₁, а при содержании его более 14 % наблюдается резкое повышение температуры Ас₁. Подобное влияние объясняется тем, что при содержании до 12-13 % хром понижает температуру a®g-перехода, и наблюдаемое при этом содержании хрома повышение точки Ас₁ обусловлено более сильным влиянием повышенных температур диссоциации эвтектоидных карбидов.

Закономерности влияния элементов на критические точки в основном сохраняются и в сталях, содержащих одновременно несколько легирующих элементов.

Легирующие элементы значительно влияют и на положение эвтектоидной точки S и предельную концентрацию углерода в аустените (точку Е). Некарбидообразующие элементы (Ni, Co, Si), растворяясь в феррите и замещая часть атомов железа в его решетке, тем самым уменьшают содержание железа в эвтектоиде и смещают точку S в сторону меньших содержаний углерода (рис. 3). Аналогично влияют и карбидообразующие элементы, которые в большом количестве растворяются в феррите, карбиды которых участвуют в образовании эвтектоида (например, Мn и Сr). Такие элементы, как Мо и W, сначала уменьшают, а затем увеличивают содержание углерода в эвтектоиде. Имеются сведения, что сильные карбидообразующие элементы Тi, Nb и V, незначительно растворяющиеся в феррите и образующие стойкие карбиды, которые не участвуют в образовании эвтектоида, уменьшают количество эвтектоида в стали и увеличивают содержание углерода в эвтектоиде, т.е. смещают точку S в сторону больших концентраций углерода. В то же время, если Тi, Nb и V растворены в аустените, то они снижают содержание углерода в эвтектоиде (рис. 3).

Большинство легирующих элементов понижает предел растворимости углерода в g-железе и, следовательно, смещает точку Е на диаграмме Fе-Fе₃С в сторону меньших концентраций углерода.

Дата добавления: 2014-01-11