ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Около 10% всей выплавляемой стали является легированной.

Легирующие элементы – элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения строения и свойств.

В сталях легирующие элементы могут находится в:

- свободном состоянии;

- форме интерметаллических соединений с железом или между собой;

- в виде оксидов, сульфидов и других неметаллических включений;

- в виде легированного цементита или самостоятельных карбидов;

- форме твердого раствора в железе.

Большинство легированных конструкционных сталей доэвтектоидные. При маркировке легированных сталей в начале марки указывают содержание углерода в сотых долях процента. Далее следует обозначение легирующего элемента соответствующими буквами:

А – азот Р – бор

Б – ниобий С – кремний

В – вольфрам Т – титан

Г – марганец К – кобальт

Д – медь Ф – ванадий

Е – селен Х – хром

М – молибден Ц – цирконий

Н – никель Ю – алюминий

Цифра после буквы показывает примерное процентное содержание элемента в целых долях процента. Если цифра отсутствует, то содержание элемента около 1%.

Легирующие элементы подразделяют на 2 группы:

1. Карбидообразующие – марганец, хром, вольфрам, молибден, ванадий, титан. В отличие от Fe₃C, образуют с углеродом соединения, называемые специальные карбиды.

2. Карбидонеобразующие – никель, кремний, медь, алюминий. Эти элементы находятся в твердом растворе.

При больших содержаниях Ni, Cu, Si могут вызывать графитизацию, способствуя разложению цементита на железо и свободный углерод.

В большинство машиностроительных сталей специальные элементы вводят в небольших количествах:

Si – 0,6…1,5% W – 0,3…1,2%

Mn – 0,8…2% Mo – 0,2…1,2%

Ni – 0,5…5% V – 0,15…0.8%

Cr – 0,3…1,2% Al – 0,7…1,2%

В жаростойких и жаропрочных сталях некоторые элементы вводят в больших количествах:

Cr – до 27% W – до 2,5 %

Ni – до 30% Si – до 2,5%

Mo – до 6%

В инструментальных и быстрорежущих сталях:

Cr – до 12%, W – до 20%, V – до 2%.

Все конструкционные легированные стали могут в маркировке содержать дополнительные обозначения. Например, в начале марки: А – автоматные стали; ШХ – шарикоподшипниковые; Р – быстрорежущие; ЭИ, ЭП – прецизионные сплавы.

Влияние легирующих элементов на свойства сталей

Почти все легирующие элементы (корме кобальта) повышают устойчивость переохлажденного аустенита, т.е. увеличивают прокаливавемость. Самый сильный – молибден.

Диаграммы распада переохлажденного аустенита

и полосы прокаливаемости сталей 30ХА и 30ХГСА:

Легирующие элементы влияют на интервал температур фазовых превращений, т.е. сдвигают точки на диаграмме. По характеру влияния на полиморфные превращения легирующие элементы делят на:

• Расширяющие гамма-область (Ni, Co, Cu) – аустенитные стали

• Сужающие гамма-область (Cr, Si, W, Mo, Ti) – ферритные стали

Также легирующие элементы сдвигают линии на диаграмме Fe – Fe₃C по горизонтали. В частности, большинство смещают линию ES влево, т.е. снижают концентрацию углерода в эвтектической точке.

При легировании особенно сильно повышается предел текучести, относительное сужение, ударная вязкость. Почти все легирующие элементы снижают критическую скорость закалки, повышая прокаливаемость. Однако высокая концентрация легирующих элементов может ухудшить обрабатываемость резанием, свариваемость и повысить порог хладноломкости.

• V, Ti, Nb образуют труднорастворимые карбиды, измельчают зерно, уменьшают чувствительность к концентраторам напряжений;

• Mo, W повышают прокаливаемость, способствуют измельчению зерна и повышают устойчивость перед отпуском;

• Mn приводит к упрочнению наклепом;

• Mo, Cr, V, W повышают красностойкость;

• Cr, Ni, Mo, Mn обеспечивают высокую прокаливаемость;

• Cr, Mo, S значительно упрочняют сталь и увеличивают дисперсность карбидных частиц;

• Cu, Ni повышают коррозионную стойкость в атмосфере;

• W, Ni измельчают зерно до 10-12 балла;

• Ni повышает сопротивление хрупкому разрушению, пластичность, вязкость, понижают температуру порога хладноломкости (1% Ni на 60-80%).

Влияние легирующего элемента на свойства конструкционной стали зависит от структурного состояния, которое определяет термическая обработка. После ТО легированные стали имеют преимущественно более мелкое зерно и более мелкие дисперсионные структуры.

Изменение твердости при отпуске легированных сталей:

Основные структуры, получаемые при охлаждении стали:

Формирование структуры	Характеристика структуры	Условия получения
		Скорость охлаждения	Среда
А=>П	П=Ф+Ц HRC 10-20	1оС в мин.	Печь
А=>С	C=Ф+Ц HRC 20-30	300-100оС в час	Воздух
А=>Т	Т=Ф+Ц HRC 30-40	100оС в сек.	Масло
А=>М	Пересыщ. тв. р-р С в Fea	200оС в сек.	Вода

Перлит, сорбит, троостит получаются в результате диффузионного механизма превращения.

Мартенсит образуется по сдвиговому механизму (деформация Бейна). Сдвиговый механизм отличается от диффузионного взаимосвязанным характером перемещения на расстояния меньше межатомных без обмена атомов местами, так что соседи атома в исходной фазе остаются его соседями в новой мартенситной фазе. Мартенсит не имеет инкубационного периода. Рост кристаллов происходит мгновенно – 100 км/с.

Свойства легированного феррита.

Легирование феррита сопровождается его упрочнением. Прочность определяется прямым и косвенным влиянием легирующих элементов (ЛЭ).

Прямое влияние связано с искажениями кристаллической решетки при растворении ЛЭ:

D_т = G ^. ^{2 .} С – прирост предела упругости,

где С – концентрация растворенного элемента;

G – модуль сдвига;

 – параметр размерного несоответствия: , r_A – радиус растворенного элемента;

r – радиус атома растворителя.

При введении нескольких ЛЭ прочность феррита рассчитывается суммарным влиянием по каждому из элементов.

Косвенное влияние связанно с увеличением процентного содержания углерода.

Свойства легированного аустенита.

Обладает большим коэффициентом теплового расширения. ЛЭ, в том числе азот (растворимость при комнатной температуре до 1%), повышают прочность как при нормальных, так и при повышенных температурах.

Легированный аустенит является основной составляющей многих коррозионностойких, жаропрочных, жаростойких немагнитных сплавов.

Влияние ЛЭ на свойства сталей:

Легирующий элемент	Входит в тв. р-р с Fe и упрочняет его	Повыш KCU	Расшир. g-обл.	Сужает g-обл.	Повышает прокаливаемость	Образует устойчивые карбиды	Повышает сопротивление коррозии
Ni	+	+	+	-	+	-	+
Cr	+	-	-	+	-	+	+
Mn>1%	+	+	+	-	+	+	+
Si>0.8%	+	+	-	+	-	-	-
Cu 0.3-0.5%	+	-	-	-	-	-	+