2. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали

Углеродистые стали не содержат специально введенных леги­рующих элементов. В состав легированных сталей специально введе­ны легирующие элементы, обеспечивающие при определенных спосо­бах производства и обработки требуемую структуру и свойства. В ле­гированных сталях содержание отдельных элементов больше, чем этих же элементов в виде примесей.

Легирующие элементы - химические элементы, специально вводи­мые в сталь для получения требуемой структуры, а также физико­химических и механических свойств.

Основными легирующими элементами в сталях являются: алюми­ний, кремний, титан, ванадий, хром, марганец, кобальт, никель, нио­бий, молибден, вольфрам. Реже используют бор, азот, серу, кальций, селен, теллур, цирконий, тантал, свинец и некоторые другие редкозе­мельные металлы. Легирующие элементы в стали так или иначе взаи­модействуют с железом, углеродом и между собой.

Большинство легирующих элементов образуют с железом твердые растворы замещения, т.е. легированный феррит (ОЦК) или легирован­ный аустенит (ГЦК). Свинец и кальций практически нерастворимы в железе. Легирующие элементы, растворяясь в железе, влияют на тем­пературу его полиморфных превращений. По характеру влияния их можно разделить на две группы: элементы, расширяющие у-область (у-стабшшзаторы - марганец, никель, кобальт, медь, азот), и элемен­ты, сужающие у-область (а-стабилизаторы - алюминий, кремний, хром, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, титан и др.).

Многие легирующие элементы при значительном содержании их в стали образуют с железом или друг с другом различные интерметал­лические соединения, имеющие кристаллические решетки, отличные от решеток компонентов. Интерметаллиды обладают различными свойствами, но всем им присуща высокая прочностью как правило, хрупкость.

По отношению к углероду легирующие элементы делят на некар­бидообразующие (Al, Si, Со, Ni, Си, РЬ), практически полностью рас­творенные в феррите, аустените или мартенсите, и карбидообразую- щие, которые по их сродству с углеродом, прочности и стойкости кар­бидов и устойчивости их к распаду можно расположить следующим образом в порядке убывания перечисленных свойств: Hf, Zr, Ti, Та, Nb, V, W, Mo,. Cr, Mn, Fe.

Стойкость карбидов изменяется при изменении их состава вследст­вие взаимного растворения друг в друге или растворения в них тех или иных элементов (стойкость повышается при растворении в карби­де металла, образующего более устойчивые карбиды).

Элементы, обладающие средней карбидообразующей способно­стью (Сг, Mo, W), при небольших концентрациях растворяются в це­ментите, образуя легированный цементит (FeMe)₃C или Ме₃С. При

достаточно высоких концентрациях этих элементов в стали образуют­ся специальные карбиды, имеющие отличную от цементита решетку.

' Сильные карбидообразующие элементы (V, Nb, Ti, Zr) в цементите практически не растворяются и уже при малых содержаниях в стали образуют собственные специальные карбиды или карбонитриды (TiC, VC, VCN и др.).

Почти все легирующие элементы^за исключением марганца и кремния, тормо*зят~рост аустенитного зерна и. уменьшают склонность стали к перегреву, что связано с образованием трудно растворимых в аустените карбидов, нитридов ^других фаз, служащих барьерами для растущих зерен. Такие активные карбидообразователи, как титан, цирконий, ванадий, сильнее тормозят рост зерна, чем хром, вольфрам и молибден, так как карбиды первых легирующих элементов более устойчивы и труднее растворяются в аустените. Некоторые карбиды (например, TiC, ZrC) остаются нерастворенными в аустените даже при нагреве стали выше 1200 °С.

Легирующие элементы оказывают сильное влияние также на пре­вращения переохлажденного аустенита. За исключением кобальта все широко используемые легирующие элементы, растворенные в аусте­ните, увеличивают его устойчивость, тем самым замедляя перлитное превращение, уменьшая критическую скорость. охлаждения при за­калке и увеличивая прокаливаемость. Большинство легирующих эле­ментов, растворенных в аустените, как и углерод, снижают темпера­туру начала мартенситного превращения М_н и увеличивают количест­во остаточного аустенита при комнатной температуре. Сильно сни­жают точку М_н марганец, никель и хром.

Большинство легирующих элементов замедляют основные струк­турные изменения при отпуске. В легированных сталях затруднен главный процесс при отпуске - распад мартенсита, который сводится к выделению карбида и уменьшению при этом концентрации углерода в ос-растворе. Сильно замедляют диффузию углерода, необходимую для выделения карбидов, хром, молибден, вольфрам. Выделение спе­циальных карбидов также затруднено, так как диффузионная подвиж­ность легирующих элементов несравненно меньше, чем у углерода. Эти же факторы обусловливают и замедленную коагуляцию карбид­ных частиц в легированных сталях.

Легирующие элементы, затрудняющие распад мартенсита и коагуля­цию карбидов, задерживают разупрочнение при отпуске, смещая кривые падения твердости и прочности в сторону более высоких температур.