Лекция 8. Легирующие элементы. Основные определения и понятия.Классификация.

Основные определения и понятия. Специальные стали — это сплавы на основе железа, отличающиеся от обычных сталей особыми свойствами, обусловленными либо их химическим составом, либо особым способом производства, либо способом их обработки (Э. Гудремон).

В большинстве случаев специальные стали содержат легирующие элементы.

Легирующими элементами называют химические элементы, специально введенные в сталь для получения требуемых строения, структуры, физико-химических и механических свойств.

Основными легирующими элементами в сталях являются Mn, Si. Cr. Ni. Мо W. Со. Си. Ti. V, Zr, Nb, AI. В. В некоторых сталях легирующими элементами могут быть также Р, S. N, Se. Те, РЬ, Се, La и др. Перечисленные элементы, а также Н. О. Sn, Sb, As, Bi мо­гут быть также примесями в стали. Содержание легирующих элементов в стали лижет ко­лебаться от тысячных долей процента до десятков процентов.

Примесями называют химические элементы, перешедшие, в состав стали в процессе ее производства как технологические добавки пли как составляющие шихтовых .материа­лов. Содержание примесей в стали обычно ограничивается следующими пределами: Mn<0.8 %, Si<0.4 %. Cr<0.3 %. Ni<0.3 %. Cu<0.3 %. Мо<0.10 %. W<0.2 %. Р< 0,025-0,040%. S<0,015-0,050%.

Как видно, примесями и легирующими добавками могут быть одни и те же химиче­ские элементы. Отнесение их к тому или иному признаку зависит от количества и роли в стали.

Легированные стали - это сплавы на основе железа, в химический состав которых специально введены легирующие элементы, обеспечивающие при определенных способах производства и обработки требуемую структуру и свойства.

В легированных сталях содержание отдельных элементов больше, чем содержание этих же элементов в виде примесей.

Некоторые легирующие элементы (V. Nb. Ti. Zr. В) могут оказывать существенное влияние на структуру и свойства стали при содержании их в сотых долях процента (В - в тысячных долях процента). Такие стали иногда называют микролегированными.

Из приведенных определений видно, что понятие специальные стали более широкое, чем понятие легированные стали, так как к специальным сталям, кроме легированных, мо­гут относиться и углеродистые стали, если им приданы специальные свойства посредст­вом определенных способов производства и обработки. Так. к специальным сталям отно­сятся следующие углеродистые стали определенного назначения и качества: качественные конструкционные, инструментальные, термически упрочненные, для холодной штамповки и др.

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 алюминии.

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 (Ti, Zr. V, Nb. Та. Cr. Мо. W. Mn), а также железо могут образовывать в стали карбиды. Некарбидообразующие элементы (Си, Ni, Со, Si, AI) карбидов в стали не образуют. Склонность к карбидо-образованию у легирующих элементов тем сильнее, чем менее достроена d-оболочка у

металлического атома.

А - открытая; б - расширенная; в - закрытая; г -суженная

Рисунок 35 - Влияние легирующих элементов на вид у-области диаграммы железо-легирующий элемент по Ф. Веферу

Легирующие элементы изменяют температуру полиморфных превращений в железе, т. е. точки Аз 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 рисунке 35 приведена схема по Ф. Веферу, иллюстрирующая классификацию легирующих элементов по их влиянию на полиморфизм железа.

К первой группе относятся легирующие элементы, расширяющие γ -область (рисунок З5.а, б). Расширение γ-области будет происходить в том случае, если легирующий эле­мент повышает точку А4. и понижает точку A3. При этом возможно существование у -фазы во всем интервале концентраций (открытая γ -область) и ограничение области суще­ствования γ -фазы вследствие появления новых фаз и образования гетерогенных областей (расширенная γ -область).

Таким образом, легирующие элементы первой группы можно еще разделить на эле­менты, образующие с железом сплавы со структурой неограниченного гомогенного твер­дого раствора (рисунок З5.а), к ним относятся никель, марганец кобальт, палладий, пла­тина, и на элементы, образующие сплавы, в которых гомогенная область ограничивается гетерогенной вследствие образования новых фаз (рисунок 35.6). К таким элементам отно­сятся углерод, азот, медь, цинк.

Ко второй группе относятся элементы, сужающие γ-область (рисунок 35.6. г). Суже­ние γ -области будет происходить в том случае, если легирующий элемент понижает точку А_|, и повышает точку A.i. При определенной концентрации легирующего элемента может происходить полное замыкание у -области. В этой группе различают также двой­ные системы с замкнутой у -областью и гомогенной а-областью (закрытая γ-область. ри­сунок 35,е) и системы, в которых γ-область ограничена областью гетерогенных структур (суженная γ-область. рисунок 35. г).

Таким образом, легирующие элементы второй группы разделяют на элементы, обра­зующие с железом сплавы с полностью замкнутой γ-областью и образованием гомогенной α-области (бериллий, алюминий, кремний, ванадий, хром, молибден, вольфрам, гитан, мышьяк, олово, сурьма), и элементы, образующие с железом сплав с суженной γ-областью. ограниченной гетерогенной областью (рений).

Отметим, что приведенная схема не охватывает всего многообразия возможных ва­риантов влияния легирующих элементов на критический точки железа и, следовательно, на вид диаграммы железо - легирующий элемент. Так, хром, молибден, алюминий, вана­дий, относящиеся к элементам, замыкающим γ-область. вначале понижают критические точки A₄ и Аз и только начиная с определенной концентрации начинают повышать точку Аз. Кобальт, способствующий получению открытой γ-области, вначале повышает крити­ческую точку A₃.

Столь различное влияние легирующих элементов на полиморфизм железа и на вид диаграмм железо - легирующий элемент обусловлено влиянием различных факторов: изоморфностью легирующего элемента одной из модификаций железа (γ или α), различи­ем атомных радиусов железа и легирующего элемента, характером и энергией межатом­ного взаимодействия, электронным строением атомов железа и легирующего элемента.

При легировании железа несколькими элементами одновременно их влияние на по­лучение γ- и α-фаз не суммируется. Более того, в ряде случаев их влияние может быть да­же противоположно действию этого элемента в двойном сплаве. Например, хром в трой­ном твердом растворе Fe-Cr-Ni способствует получению γ, а не a-фазы. как в двойных сплавах Fe - Сr.

Легирующие элементы по-разному влияют на расширение или сужение γ-области на диаграмме железо - легирующий элемент. Если для углерода и азота, образующих с желе­зом твердый раствор внедрения, расширение области γ-фазы связано с наличием больших позиций внедрения (октаэдрических пор) в гранецентрированной кубической решетке (г. ц. к.), то для легирующих элементов, дающих С железом твердый раствор замещения, од­ной из причин расширения или сужения γ -области может быть изменение скрытой тепло­ты превращения при перестройке г. ц. к. решетки в о. ц. к.. Если поглощенное тепло, при­ходящееся на единицу концентрации растворенного элемента в α- и γ-железе, выразить через Н_α и Н_γ, а ∆Н = Нα - Н_γ, то в случае, когда ДН положительно, термодинамически вы­годным будет существование γ-фазы и диаграмма будет иметь открытую (рисунок 36. а) или расширенную γ-область.В этом случае две ветви кривой растворимости можно рас­сматривать как часть сплошной кривой. Если ДН отрицательно, получим диаграмму с за­крытой γ-областыо (рисунок 36).

Примеры реальных диаграмм железо - легирующий элемент приведены на ри­сунке . 37.

Рисунок 37 - Вид диаграммы состояния железо-легирующий элемент тля Ti V, Cr, Mn, Со и Ni.