2.3. Влияние элементов на полиморфизм железа

 

Все элементы, которые растворяются в железе, влияют на температурный интервал существование его аллотропических модификаций (А₃= 911^oС, А₄=1392^oС).

В зависимости от расположения элементов в периодической системе и строения кристаллической решетки легирующего элемента возможны варианты взаимодействия легирующего элемента с железом. Им соответствуют и типы диаграмм состояния сплавов системы железо – легирующий элемент (рис. 3).

Большинство элементов или повышают А₄ и снижают А₃, расширяя существовавшие –модификации (рис. 3. а), или снижают А₄ и повышают А_3, сужая область существования –модификации (рис. 3. б).

Рис. 3 Схематические диаграммы состояния Fe – легирующий элемент. а – для элементов, расширяющих область существования –модификации; б – для элементов, сужающих область существования –модификации

 

Большинство элементов образуют с железом твердые растворы замещения. Они растворяются в железе и влияют на положение точек А₃ и А₄, определяющих температурную область существования  и  -железа.

Если легирующие элементы имеют решетку ОЦК, то они  А₄,  А_3, ГЦК А₄, А₃.

 По характеру влияние на полиморфные превращения легирующие элементы можно разделить на две группы:

•1 группа - элементы (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др. имеющих ОЦК решетку), достаточное содержание которых обеспечивает существование в сталях при всех температурах легированного феррита. Такие сплавы называют Ферритными.

Они понижают А₄ и повышают А₃, следовательно при определенной концентрации (точка У) А₁ и А₃ сливаются и область  фазы замыкается. При содержании легирующего элемента больше У сплавы состоят из твердого раствора легирующего элемента в  - железе.

• 2 группа - элементы (Ni, Mn и др. имеющих ГЦК решетку), стабилизирующие при достаточной концентрации легированный аустенит при всех температурах. Такие сплавы называют Аустенитными. Сплавы, только частично претерпевающие превращение g—>a, называются, соответственно, полуаустенитными или полуферритными. группа (расширяющих область) Ni и Mn, которые понижают t (температуру) точки А₃ и повышают А₄. Расширяется на диаграмме  фаза и сужается  - фаза (рис. 3.а.).

Аустенитные и ферритные сплавы не имеют превращений при нагреве и охлаждении.

2.4. Взаимодействие легирующих элементов с железом и углеродом

По взаимодействию с железом, легирующие элементы делятся на три группы:

1. Легирующие элементы, отличающиеся слабым взаимодействием с железом (влияние на полиморфные (a-Fe —> g-Fe) превращения). Такие легирующие элементы либо вообще не взаимодействуют с железом, либо образуют твердые растворы очень малых концентраций.

Например, Pb, K, S. Такие легирующие элементы располагаются, как правило, по границам зерен, ухудшая тем самым связь между ними. В результате прочностные свойства падают, но улучшается обрабатываемость резанием (автоматная сталь).

2. Легирующие элементы, отличающиеся образованием с железом твердых растворов. Как правило, увеличивается прочность и твердость, но вместе с этим одновременно понижается пластичность и вязкость. Образование твердых растворов может идти по типу замещения или внедрения. Растворы замещения образуют легирующие элементы – металлы, а твердые растворы внедрения образуют легирующие элементы – неметаллы (B, N). Образование твердых растворов внедрения особенно сильно увеличивает твердость и понижает пластичность. Лишь один легирующий элемент увеличивает прочность, пластичность, вязкость и одновременно снижает порог хладноломкости – это Ni.

3. Образование интерметаллидов. При образовании легирующими элементами химических соединений с железом, образуются интерметаллидные фазы: FeCr, FeAl, Fе₇Мо₆; Fe₃Nb и др. Это приводит к резкому увеличению прочности и твердости, но одновременно снижает вязкость и пластичность.

По взаимодействию с углеродом, легирующие элементы делятся на две группы:

Карбидообразующие. К ним относят Cr, W, Ti, Mo.

К не карбидообразующим относят Ni, Al, Cu, Si, Mn.

Карбидообразующими легирующими элементами называют элементы, обладающие большим, чем железо, сродством к углероду. По возрастанию сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз карбидообразующие элементы располагаются в следующий ряд: Fе-Мn-Сг-Мо-W-Nb-V-Zr-Ti. Чем устойчивее карбид, тем труднее он растворяется в аустените и выделяется при отпуске.

Легирующие элементы влияют на положение критических точек в сталях и основных линий на диаграмме Fe-C. Введение карбидообразующих элементов повышает точки А₁ и А₃, т.к. карбиды легирующих элементов более устойчивы и растворяются в железе при более высоких температурах, чем обычный цементит.

Смещение точки Е влево может приводить к тому, что при содержании углерода 1,3-1,5 % в структуре могут наблюдаться выделения эвтектики – ледебурита. В обычных углеродистых сплавах ледебурит присутствует только в чугуне.

При введении сравнительно небольших количеств легирующего карбидообразующего элемента в сталь он сначала растворяется в цементите, замещая часть атомов железа, например (Fе, Мn)₃С. При этом образуется легированный цементит.

С увеличением содержания легирующего элемента сверх предела растворимости образуются специальные карбиды типа Сr₇С₃, Мn₃С и др.

По строению кристаллической решетки карбиды бывают двух типов.

К карбидам первой группы относятся поликарбиды Fe₃C, Мn₃С, Сr₇Сз, Сr₂₃С₆, имеющие сложные кристаллические решетки. Такие карбиды недостаточно прочны и при нагреве до высоких температур распадаются с образованием твердого раствора легирующих элементов в аустените.

Карбиды второй группы Мо₃С, WС, VС, TiС - монокарбиды - имеют простые кристаллические решетки, которые отличаются большой прочностью и не распадаются при нагреве. Все карбиды обладают высокой твердостью, но твердость карбидов второй группы несколько выше. С повышением дисперсности карбидов растет твердость и прочность стали.

Изменение размеров решетки вызывает изменение свойств феррита – прочность повышается, пластичность уменьшается.

Хром, молибден и вольфрам упрочняют меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден и вольфрам, а также кремний и марганец в определенных количествах, снижают вязкость.

В сталях карбиды образуются металлами, расположенными в таблице Менделеева левее железа (хром, ванадий, титан), которые имеют менее достроенную d – электронную полосу.

Все карбиды обладают высокой твердостью и температурой плавления.