Влияние легирующих элементов на фазовые составляющие стали

Легирующие элементы, введенные в сталь, по-разному взаимодействуют с основными компонентами стали - железом и углеродом, что определяет и своеобразие их влияния на свойства сталей и протекание процессов при нагреве и охлаждении при сварке

С основой стали - железом легирующие элементы дают растворы замещения. Имея различия по атомным радиусам и энергетическому состоянию атомов, легирующие элементы по разному влияют на феррит. Как правило, легирующие элементы повышают прочность и понижают пластичность феррита. В малых количествах некоторые легирующие элементы повышают вязкость (хром, марганец, никель), в больших количествах - понижают.

Взаимодействие легирующих элементов с углеродом более сложно. С одной стороны многие легирующие элементы стали (Mn, Cr, W, Mo, V, Nb, Ti) способны либо непосредственно образовывать с углеродом карбид легирующего элемента, либо заменять часть железных атомов в карбиде железа. С другой стороны, образуя растворы замещения и заменяя в кристаллической решётке часть атомов железа, разные легирующие элементы, по-разному влияя на энергетическое состояние решетки, изменяют энергетические условия взаимодействия с решёткой внедрённых атомов углерода. Это определяет различную активность атомов углерода в растворе легированных сталей.

Таким образом, легируя феррит и меняя уровень энергетических связей, легирующие элементы меняют температуру полиморфных превращений. Они влияют на активность и диффузионную подвижность атомов углерода в растворе. Такая роль легирующих элементов в изменении состояния растворённого углерода и участие их в карбидообразовании определяют воздействие их на процессы превращений, связанные с диффузионной подвижностью углерода.

Одни и те же легирующие элементы в стали, могут образовывать растворы замещения и участвовать в образовании карбидов. Введенные в сталь легирующие элементы распределяются между твёрдым раствором и карбидами в зависимости от степени химического сродства легирующего элемента к углероду. Элементы с химическим сродством к углероду, меньшим чем у железа (Со, Si, Ni), не образуют в стали своих карбидов и практически не участвуют в процессах карбидообразования.

По степени увеличения химического сродства к углероду легирующиеэлементы располагаются в следующем порядке Mn, Cr, W, Mo, V, Nb, Ti. В соответствии с этим V, Nb, Ti дают наиболее стойкие карбиды, которые практически не содержат другие элементы. С другой стороны, V, Nb, Ni мало растворяются в карбидах элементов с меньшим сродством к углероду. Сг, W и Moмогут давать свои карбиды, могут входить частично в карбид цементитного типа Me С. В карбидах этих элементов может содержаться и железо.

Степень химического сродства к углероду определяет и распределение элементов между ферритом и карбидами. Марганец с наименее низким сродством к углероду по сравнению с другими карбидообразующими элементами, легирует феррит. Хром, имея большее сродство к углероду, в большей степени, чем марганец уходит в карбиды и в меньшей степени, чем марганец переходит в феррит. Ещё в большей степени связываются в карбиды вольфрам и молибден, и еще меньше их оказывается в растворе. Ванадий, ниобий и титан практически полностью связываются в карбидах, и очень мало этих элементов переходит в раствор.

Таким образом, для карбидов каждого элемента, а если элемент даёт несколько карбидов, то для каждого типа карбида при определённой температуре и надлежащих условиях (достаточное время пребывания при этой температуре и содержание углерода и легирующего элемента), устанавливается концентрационное равновесие в системе карбид - твердый раствор. Это равновесие должно сдвигаться в сторону понижения содержания легирующего элемента в феррите в случаях повышения степени химического сродства легирующего элемента к углероду. Равновесие концентраций должно существовать и для углерода, т.е. карбиду каждого легирующего элемента соответствует определённая концентрация углерода в феррите. Одновременно содержание углерода в феррите понижается с повышением его термодинамической активности в растворе под влиянием находящихся в растворе легирующих элементов.

Количество карбидообразующего элемента, растворяющегося в феррите, зависит от содержания в стали углерода. Так, при легировании безуглеродистого феррита даже самые активные карбидообразователи (V, Nb, Ni) будут полностью растворяться в феррите до величин, соответствующих пределу растворимости.

При небольшом количестве углерода в стали и очень большом коли­честве карбидообразующего элемента, произойдёт процесс карбидообразования за счет имеющегося в стали углерода, а остальная часть легирующего элемента перейдет в раствор. Если же наоборот, карбидообразователя, например, ванадия будет мало, а углерода много, то часть его свяжется в карбид ванадия, а остальная часть - в карбид железа-цементит.

Таким образом, для каждого карбидообразующего элемента существует определенная величина отношения его содержания в стали к содержанию в стали углерода, при котором все количество углерода, имеющегося в стали, и все количество легирующих элементов оказываются связанными в виде карбида этого элемента. При отношении Ме/С меньше критической величины К избыток углерода будет образовывать цементит, при Ме/С - К избыток легирующего элемента будет растворяться в феррите, изменяя его свойства.

Величины критических отношений Ме/С для различных карбидообразующих элементов в связи с разной степенью химического сродства их к углероду. На значение Ме/С влияет также и температура.

Дата добавления: 2014-12-25