Влияние легирующих элементов на структуру и свойства железоуглеродистых сплавов

Влияние углерода

увеличивает:

уменьшает:

• временное сопротивление;

• предел текучести;

• твердость.

• удлинение;

• деформируемость;

• свариваемость.

Влияние кремния. Образует силициды (FeSi, Fe₃Si₂, Fe₃Si), вызывает распад Fe₃C. Возможность образования крупнозернистой структуры при отжиге, рекристаллизации и закалке.

• временное сопротивление (на каждый процент кремния на ~100 МПа);

• электрическое сопротивление (трансформаторная и динамная сталь);

• закаливаемость инструментальных сталей;

• твердость конструкционных сталей;

• литейные свойства (повышение теплоты растворения, когда Si растворяется в Fe; растворимость Si в феррите при комнатной температуре ~14 %);

• коррозионная стойкость (отливки из кремниевой стали для химической промышленности);

• охрупчивание (при >6,5 % в ОЦК феррита);

• окалиностойкость (Si легче окисляется, чем Fe, с образованием защитного, содержащего SiO₂ слоя, однако Si способствует поверхностному обезуглероживанию;

• раскисляющее действие (при ~0,1 % Si – полуспокойная сталь, >0,2 % Si – спокойная сталь; продукты раскисления: SiO₂, силикаты;

• склонность к графитообразованию («черноломкость»).

• свариваемость (>0,2 % обычная сварка; 0,6 % дуговая сварка);

• деформируемость (до 3 % с трудом деформируется в холодном состоянии; до 6 % плохо деформируется в горячем состоянии; > 10 % не деформируется и не обрабатывается резанием);

• коэффициент диффузии С в - и -области.

Влияние марганца. Марганцевые стали чувствительны к перегреву. Способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS в стали: FeS+MnMnS+Fe.

Кроме раскисляющей и легирующей функций, марганец используют для обессеривания. Продукты рафинирования MnS, MnO, MnOSiO₂, 2MnSiO₂, раскатываясь, обуславливают возникновение волокнистой структуры, поэтому ударная вязкость в продольном направлении выше, чем в поперечном.

Регулируя количество MnS, можно уменьшить чувствительность к красноломкости.

увеличивает:

уменьшает:

• временное сопротивление на каждый процент Mn – на ~100 МПа;

• износостойкость;

• прокаливаемость;

• удлинение;

• ликвационную неоднородность (поэтому горячую деформацию ведут при 12001250 С);

• чувствительность к трещинообразованию (из-за склонности к воздушной подкалке уже при ~2 % Mn);

• чувствительность к перегреву (при крупном зерне – понижение критической скорости охлаждения).

При повышенном содержании марганца ухудшается обрабатываемость резанием, деформируемость в холодном состоянии, подавляется доэвтектоидное выделение феррита, возникает красноломкость.

Влияние фосфора. Попадает в сталь главным образом с исходным чугуном. До 1,2% растворяется в феррите, уменьшая его пластичность. Обладает большой склонностью к ликвации и образует участки богатые фосфором. Располагаясь вблизи границ зерен, повышает температуру перехода в хрупкое состояние, т.е. вызывает хладноломкость. Образует два фосфида (Fe₃P, Fe₂P). Содержание фосфора поддерживают до ~0,02 %.

• временное сопротивление (до ~0,5 % Р);

• охрупчивание в холодном состоянии (уменьшение удлинения и ударной вязкости, особенно при совместном влиянии с углеродом);

• склонность к отпускной хрупкости;

• склонность к сварочным трещинам (совместное влияние P, Si и С);

• ликвационная неоднородность.

Влияние серы. Попадает в сталь главным образом с исходным чугуном. Нерастворима в железе и образует соединение FeS – сульфид железа. Образует эвтектику (Fe+FeS) с Т_пл = 988 С. Поэтому при нагреве выше 900 С сталь становится хрупкой. При горячей пластической деформации заготовки разрушаются – это явление называется красноломкость.

увеличивает:

уменьшает:

• склонность к красноломкости (8001000 С – область красноломкости);

• горячеломкость (~1200 С, растворение фаз расположенных по границам зерен), поэтому горячую деформацию ведут между областями красноломкости и горячеломкости (между 10001200 С);

• хрупкость при пайке;

• ломкость стружки (автоматные стали);

• ухудшается свариваемость (главным образом тонких высокопрочных листов);

• усиливается окалинообразование (образование соединений с кислородом, располагающихся по границам зерен);

• ликвационная неоднородность.

• магнитные свойства (трансформаторная сталь);

• чувствительность к перегреву (при 12001350 С еще не все сульфиды переходят в раствор и сдерживают рост зерна);

• прочность в поперечном направлении.

Сера и фосфор оказывают вредное влияние на свойства стали, поэтому их содержание резко ограничено.

Влияние хрома.

• временное сопротивление (на каждый процент хрома около ~100 МПа);

• прокаливаемость (понижение критической скорости охлаждения);

• жаропрочность;

• коррозионная стойкость (образование защитного слоя);

• закаливаемость;

• удлинение;

• критическая скорость охлаждения (улучшение прокаливаемости);

• деформируемость;

• свариваемость;

• обрабатываемость резанием.

Влияние никеля.

• временное сопротивление;

• ударная вязкость;

• прокаливаемость (снижается критическая скорость охлаждения);

• коррозионная стойкость;

• длительная прочность;

• склонность к образованию графита;

• сульфидообразование (опасность красноломкости, эвтектика при 645 С);

• образование флокенов;

• механические свойства в поперечном направлении.

• критическая скорость охлаждения (увеличивается прокаливаемость);

• снижается температура перлитного превращения (возможна закалка с более низких температур; меньше закалочные напряжения);

• обрабатываемость резанием;

• стабильность карбидов (никель не образует карбиды);

• склонность к тепловым трещинам (низкая теплопроводность).