1 Визначення структурних класів заданих марок легованих сталей з використанням діаграм рівноваги та перетворення переохолодженого аустеніту

Леговані сталі – це сталі, в які для отримання потрібних властивостей спеціально додають легувальні елементи. Легувальні елементи (л.е.) – це хімічні елементи, які вводять в сталь в певних концентраціях з метою зміни її структури, фізико-хімічних та механічних властивостей [1, 2].

1.1 Вплив легувальних елементів на структуру сталі

Л.е. при введенні в сталь можуть утворювати такі основні фази:

• тверді розчини (леговані ферит та аустеніт);

• легований цементит або спеціальні карбіди;

• нітриди або карбонітриди;

• інтерметалідні сполуки [2].

Розчинення л.е. в фериті відбувається в результаті заміщення атомів заліза атомами цих елементів. Атоми л.е., що відрізняються від атомів заліза розмірами та будовою, створюють в гратці напруження, які приводять до зміни її періоду, що викликає зміну властивостей фериту – підвищення міцності та зменшення пластичності. На рис. 1.1, а, б показано зміну властивостей фериту (міцність, ударна в’язкість) при розчиненні в ньому різних елементів. Як можна побачити, Cr, Mo, W зміцнюють ферит менше, ніж Ni, Si та Mn. Mo, W, а також Mn та Si (при наявності останніх більш ніж 1 %) знижують в’язкість фериту. Cr зменшує в’язкість значно слабше вказаних елементів, а Ni її не знижує. Важливе значення має вплив елементів на поріг холодноламкості, який характеризує схильність сталі до крихкого руйнування (рис. 1.1, в). Наявність хрому в залізі сприяє деякому підвищенню порога холодноламкості, тоді як нікель його інтенсивно знижує, тобто зменшує схильність заліза до крихкого руйнування. Таким чином, Ni є найбільш цінним елементом, який зміцнює ферит при одночасному збільшенні його ударної в’язкості та зниженні порогу холодноламкості [2].

В спеціальних легованих сталях завдяки впливу л.е. на розширення g-області, збільшення стійкості переохолодженого аустеніту та зниження мартенситної точки, аустеніт може бути однією із головних структурних складових сталей. Легований аустеніт підрозділяють на стабільний та метастабільний. При температурі вище початку мартенситного перетворення М_п деформація метастабільного аустеніту призводить до фазового перетворення g®М. В стабільному аустеніті не відбувається фазового перетворення під впливом деформації, змінюється лише його тонка структура.

Легувальні елементи, що розчиняються в аустеніті, збільшують його міцність при нормальних та високих температурах. Більший ефект від зміцнення (рис. 1.2) спостерігається при введенні елементів втілення (С, N), ніж заміщення (Mn, V, Co, Mo та ін.). Для легованого аустеніту є характерними низька границя плинності при порівняно високій границі міцності. Аустеніт легко наклепується, тобто швидко та сильно зміцнюється під впливом деформації. Аустенітна фаза є парамагнітною, має велике значення коефіцієнту лінійного теплового розширення (a>16×10^-6 К^-1) [1].

По відношенню до вуглецю л.е. поділяють на дві групи:

а) графітизатори: Si, Ni, Cu, Al (знаходяться в твердому розчині);

б) карбідоутворювачі: Mn, Cr, Мo, W, V, Nb, Ti, Zr (знаходяться в карбідах та частково в твердому розчині, спроможність карбідоутворення зростає в наведеному ряді зліва направо).

При малому вмісті в сталі карбідоутворювачів (Mn, Cr, Мo та W), вони розчиняються в цементиті, заміщуючи в ньому атоми заліза, тобто утворюють легований цементит Me₃C, наприклад, (Fe,Mn)₃C. При підвищеному вмісті Cr, Мo, W можуть утворюватися спеціальні карбіди типу Ме₆С, Ме₂С, МеС, Ме₂₃С₆, наприклад, Mo₂C, (Cr,Mn,Fe)₂₃C₆. Більш сильні карбідоутворювачі (Ti, Nb, V, Zr) практично не розчиняються в цементиті та утворюють спеціальні карбіди (наприклад, TiС) [1–4].

Ці ж елементи також можуть утворювати і нітриди (або карбонітриди), наприклад, CrN, Mo₂N, V(C,N) або (V,Nb)(CN) [1].

Також л.е. можуть утворювати із залізом або один з одним інтерметалідні сполуки (наприклад, FeCr, Fe₇Mo₆, Fe₂W, Ni₃(Ti,Al)) [1].

а – на міцність фериту; б – на ударну в’язкість фериту; в – на поріг холодноламкості заліза

Рисунок 1.1 – Вплив легувальних елементів [2–4]

Рисунок 1.2 – Залежність зміцнення аустеніту (DHV) від зміни параметру ґратки [1]

Всі елементи, що розчиняються в залізі, впливають на положення точок А₃ та А₄, що визначають температурні області існування a- та g-заліза (рис. 1.3). Аустенітостабілізатори (Ni, Mn, Cu, N та C) підвищують точку А₄ та знижують точку А₃, що призводить до розширення області існування g-твердого розчину. Якщо кількість легувальних елементів перевищує концентрацію, що відповідає точці b (рис. 1.3, а), то ГЦК-гратка стає стійкою при кімнатних температурах. Такі сталі називають аустенітними. Більшість легувальних елементів, які називають феритостабілізаторами (Cr, Si, W, Mo, Nb та ін.), підвищують точку А₃, а точку А₄ знижують; тобто температурний інтервал стійкості аустеніту зменшується та g-область замикається (рис. 1.3, б). При вмісті легувальних елементів, що перевищує точку с, сплави при всіх температурах складаються з a-твердого розчину та звуться феритними. Сплави, що мають часткове перетворення, називаються напівферитними [1–4].

Л.е. суттєво впливають на положення концентраційних точок S та Е на діаграмі Fe-C (рис. 1.4). Більшість л.е., що розчиняються в фериті, замінюють частину атомів заліза в його гратці, тим самим зменшують вміст Fe в перліті, що призводить до зсуву т. S у бік менших концентрацій вуглецю (тобто ліворуч); також зменшується максимальна кількість вуглецю, що розчиняється в аустеніті (т. Е), внаслідок чого лінія SE зсувається вліво. Пересування лінії SЕ вліво призводить до того, що заевтектоїдну структуру в легованих сталях можна отримати при меншому вмісті вуглецю, ніж 0,8 %; а ледебуритну структуру – при кількості вуглецю, що набагато менша, ніж 2,14 % [1, 3, 4].

а б

а – аустенітостабілізаторів; б – феритостабілізаторів

Рисунок 1.3 – Схема впливу легувальних елементів на положення точок А₃ та А₄ [1–4]

Рисунок 1.4 – Вплив легувальних елементів на положення точок S і Е діаграми стану системи залізо-вуглець [2]

Л.е. також мають сильний вплив на температуру початку мартенситного перетворення М_п (рис. 1.5). Ті елементи, що знижують температуру мартенситного перетворення (С, Mn, Cr та ін.) будуть сприяти збільшенню кількості аустеніту залишкового після гартування, а Al та Co, навпаки, зменшувати його [1, 2].

Рисунок 1.5 – Вплив легувальних елементів на температуру початку мартенситного перетворення М_п сталі з 1 %С [1, 2]