Загальні положення

ЛЕГОВАНІ СТАЛІ

Поява і широке розповсюдження легованих сталей обумовлено зростанням вимог, які висуваються до матеріалів при розвитку техніки. Легування проводять з метою зміни механічних, фізичних, хімічних і технологічних властивостей металів. Для цього в сталь вводять елементи, які називають легуючими.

Основними легуючими елементами є Сг, Nі, Мо, Al, V, W, Ті, Zr. Кремній і марганець також вважаються легуючими елементами, якщо їх вміст в сталі перевищує 0,4% (для Sі) і 0,8% (для Mn). У кількості до 0,1% вводять Nb, Ti, а зміст бору при легуванні не перевищує 0,003%. Легування, коли концентрація елементу складає менше 0,1%, називають мікролегуванням. Якщо загальна кількість легуючих елементів не перевищує 2,5%, то такі сталі відносять до низьколегованих. Середньолеговані сталі містять до 10%, а високолеговані – більше 10% легуючих елементів.

Легуючі елементи переважно розчиняються в основних фазах залізовуглецевих сплавів (фериті, аустеніті, цементиті) або при збільшенні їх змісту можуть брати участь в утворенні спеціальних карбідів. Твердий розчин вуглецю і легуючих елементів в a-залізі визначається як легований ферит, а в g-залізі – як легований аустеніт. Легований цементит – це твердий розчин вуглецю і легуючих елементів в цементиті.

У більшості конструкційних сталей ферит є основною структурною складовою, яка займає не менше 90% об'єму металу. Тому від властивостей фериту в значній мірі залежать властивості сталі в цілому. Розчинення легуючих елементів у фериті проходить в результаті заміщення атомів заліза атомами цих елементів. При цьому відбувається збільшення або зменшення параметра кристалічних грат a -заліза. Елементи з меншим атомним радіусом, ніж у заліза, зменшують параметр грат, а з більшим – підвищують.

Зміна параметрів грат веде до підвищення міцності і зменшення пластичності a-заліза. Чим більшою є різниця в атомних розмірах заліза і легуючого елементу, тим більше значними будуть спотворення кристалічних грат і, відповідно, твердість, міцність, нижча пластичність і особливо в'язкість фериту. Усі основні легуючі елементи підвищують твердість фериту. Найбільш зміцнюють ферит Si, Mn, Ni. При загальній наявності цих елементів більше 4% твердість фериту збільшується до 160…220HB.

Молібден і вольфрам, а також марганець і кремній (при змісті останніх більше 1%) знижують в'язкість фериту. Хром зменшує в'язкість слабкіше перелічених елементів, а нікель в кількості до 3% підвищує в'язкість фериту, а при більшій кількості – трохи її зменшує.

Поріг холодноламкості знижує тільки нікель, інші елементи його підвищують, що спричиняє за собою підвищення схильності до крихкого руйнування.

Таким чином, найціннішим є вплив нікелю. Зміцнюючи ферит, він не знижує його в'язкості і одночасно знижує поріг холодноламкості.

За взаємодією з вуглецем легуючі елементи розподіляються на карбідоутворюючі, графітізуючі і нейтральні елементи.

Карбіди можуть утворювати елементи, що мають менш добудовану d- електронну орбіталь порівняно із залізом. Чим більш вона недобудована і, таким чином, менше електронів на d- орбіталі, тим більше виражена схильність легуючого елементу до карбідоутворення і вища стійкість карбідної фази. Чим стійкіший карбід, тим важче він розчиняється в аустеніті і виділяється при відпуску. За спорідненістю до вуглецю і стійкості карбідної фази карбідоутворюючі елементи розподіляються в наступний ряд: Fe - Mn - Cr - Mo - W - Nb -Zr - Ti.

Природа карбідів легуючих елементів залежить від співвідношення R_c/R_m, де R_с – атомний радіус вуглецю, а R_m – атомний радіус легуючого елементу. Відповідно до цього карбіди легуючих елементів можливо розподілити на дві групи.

До першої групи відносяться карбіди заліза, марганцю, хрому, для яких R_с/R_m > 0.59. Вони є типовими хімічними з'єднаннями та існують при наступних стехіометрічних співвідношеннях металу (Ме) і вуглецю (С): Мe₃C, Mе₆C, Ме₇C₃, Ме₂₇C₆. Ці карбіди є недостатньо стійкими і при нагріванні в процесі термічної обробки розпадаються з утворенням твердого розчину легуючих елементів в аустеніті.

Карбіди другої групи, для яких R_c/R_m <0.59, є фазами проникнення і мають простий тип грат. Такі карбіди утворюють Mo, W, V, Nb, Ti. Фази проникнення відрізняються високою твердістю і тугоплавкістю. Наприклад, твердість карбіду вольфраму досягає 18000 МПА, карбіду титану - 30000 МПА, а температури плавлення, відповідно, 3500^оС і 3200^оС. Для розчинення таких карбідів, як WC, NbC, TiC, сталь необхідно нагрівати до 1300^оС. Це означає, що навіть при високотемпературному нагріві вони не можуть перейти в твердий розчин. У цьому їх відмінність від карбідів першої групи, які при нагріві легко розчиняються в аустеніті.

Легуючі елементи, розчинені в залізі, впливають на температурний інтервал поліморфних перетворень. Якщо за допомогою подвійних діаграм провести аналіз впливу легуючих елементів на область існування a- і g-заліза, то за цією ознакою всі легуючі елементи розподіляються на дві групи.

До першої групи відносять аустенітоутворюючі елементи, які підвищують критичну температуру А₄ і знижують А₃, розширюючи таким чином g-область. Другу групу складають феритоутворюючі елементи, які знижують критичну температуру А₄ і підвищують А₃. При цьому відбувається зменшення g-області (рис. 19).

До елементів, які розширюють область існування аустеніту, відносяться Ni, Mn, Co, Cu, Pt, Ru, Os. Починаючи з деяких концентрацій цих легуючих елементів, сталі при кімнатній температурі мають стан g - твердого розчину. Такі сталі називають аустенітними.

До елементів, які розширюють область існування фериту, відносяться Cr, Mo, Si, Al, V, W, Ti. При легуванні у великій кількості феритоутворюючими елементами сталі матимуть феритну структуру і називатимуться феритними.

t,^oC t,^oC

Вміст легуючого елементу

Рисунок 19 – Вплив легуючих елементів на температури

поліморфних перетворень в сталі

Легуючі елементи, які тільки розчиняються у фериті або цементиті, не утворюючи спеціальних карбідів, впливають на кінетику розпаду аустеніту тільки кількісно. Кобальт прискорює перетворення, інші елементи (Mn, Ni, Cu) уповільнюють його.

Карбідоутворюючі елементи вносять не тільки кількісні, але і якісні зміни в кінетику аустенітного перетворення. Їх вплив на швидкість розпаду аустеніту залежить від температури:

- при 700...500^оС – уповільнюють перетворення;

- при 500... 400^оС – значно уповільнюють перетворення;

- при 400…300 ^оС – прискорюють перетворення.

Таким чином, в сталях з карбідоутворюючими елементами (Cr, Mo, W та ін.) спостерігаються два максимуми швидкості ізотермічного розпаду аустеніту, розділених областю високої стійкості аустеніту, що переохолоджується (рис. 20).

Легуючі елементи впливають на мартенситне перетворення. Аl і Co підвищують температуру його початку, Mn і Si не впливають, а більшість елементів знижує її, збільшуючи при цьому кількість залишкового аустеніту.

Рисунок 20 – Вплив легуючих елементів на кінетику розпаду

аустеніту, що переохолоджується

Легуючі елементи впливають на зростання зерна аустеніту. Усі елементи, за винятком марганцю і бору, зменшують схильність аустенітного зерна до зростання. Карбідоутворюючі елементи в результаті бар'єрної дії карбідів сильно зменшують зростання зерна. Некарбідоутворюючі елементи відносно слабо впливають на зростання зерна.

Легуючі елементи впливають на перетворення при відпуску. Вони уповільнюють процес розпаду мартенситу, оскільки перешкоджають дифузії вуглецю, особливо це відноситься до карбідоутворюючих елементів. Для отримання однакових результатів сталь, леговану такими елементами, як хром, молібден, кремній потрібно нагрівати при відпуску до вищої температури або збільшувати тривалість відпуску в порівнянні з вуглецевою сталлю.

Легуючі елементи впливають на концентрацію вуглецю в перліті та аустеніті, зсовуючи точки S і E (на діаграмі Fе-С) у бік меншого змісту вуглецю.

Леговані сталі можна класифікувати за:

- структурою в рівноважному стані;

- структурою зразків після охолоджування на повітрі;

Дата добавления: 2014-01-07