1. Легирующие элементы и классификация сталей
Основные определения и понятия
Углеродистые стали часто не удовлетворяют повышенным требованиям, которые предъявляются развивающимися отраслями промышленности к материалам. Они имеют недостаточную прочность, вязкость, сопротивление хрупкому разрушению, низкую теплостойкость, прокаливаемость, коррозионную стойкость. Кроме того, углеродистые стали не обладают рядом физико-химических свойств: немагнитностью, жаростойкостью, особыми магнитными, электрическими и тепловыми свойствами и т.д.
Эти недостатки углеродистых сталей можно исправить легированием – введением в сталь легирующих элементов.
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 Мn, Si, Сг, Ni, Мо W, Со, Сu, Тi, V, Zr, Nb, Аl, В. В некоторых сталях легирующими элементами могут быть также Р, S, N, Se, Те, Рb, Се, Lа и др.
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.
Некоторые легирующие элементы (V, Nb, Тi, 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.
1.2. 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 алюминий;
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 (Тi, Zr, V, Nb, Та, Сr, Мо, W, Мn), а также железо могут образовывать в стали карбиды. Некарбидообразующие элементы (Сu, Ni, Со, Si, Аl) карбидов в стали не образуют. Склонность к карбидообразованию у легирующих элементов тем сильнее, чем менее достроена d-оболочка у металлического атома.
Рис. 1 - Влияние легирующих элементов на вид g-области диаграммы железо - легирующий элемент.
а - открытая; б - расширенная; в - закрытая; в – суженная.
Легирующие элементы изменяют температуру полиморфных превращений в железе, т.е. точки А3 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 рис. 1 приведена схема, иллюстрирующая классификацию легирующих элементов по их влиянию на полиморфизм железа.
К первой группе относятся легирующие элементы, расширяющие g-область (рис.1 а, б). Расширение g-области будет происходить в том случае, если легирующий элемент повышает точку А4 и понижает точку А3. При этом возможно существование g-фазы во всем интервале концентраций (открытая g-область) и ограничение области существования g-фазы вследствие появления новых фаз и образования гетерогенных областей (расширенная g-область).
Таким образом, легирующие элементы первой группы можно еще разделить на элементы, образующие с железом сплавы со структурой неограниченного гомогенного твердого раствора (рис. 1, а), к ним относятся никель, марганец, кобальт, палладий, платина, и на элементы, образующие сплавы, в которых гомогенная область ограничивается гетерогенной вследствие образования новых фаз (рис. 1, б). К таким элементам относятся: углерод, азот, медь, цинк.
Ко второй группе относятся элементы, сужающие g-область (рис. 1 в, г). Сужение g-области будет происходить в том случае, если легирующий элемент понижает точку А4 и повышает точку А3. При определенной концентрации легирующего элемента может происходить полное замыкание g-области. В этой группе различают также двойные системы с замкнутой g-областью и гомогенной a-областью (закрытая g-область, рис. 1, б) и системы, в которых g-область ограничена областью гетерогенных структур (суженная - g-область, рис. 1, г).
Таким образом, легирующие элементы второй группы разделяют на элементы, образующие с железом сплавы с полностью замкнутой g-областью и образованием гомогенной a-области (Be, Al, Si, V, Cr, Mo, W, Ti, As, Sn, Sb), и элементы, образующие с железом сплав с суженной g-областью, ограниченной гетерогенной областью (Re).