1.2. Влияние легирующих элементов на превращения в стали

1.2.1. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа

Все легирующие элементы, которые растворяются в железе, влияют на полиморфизм железа, т.е. положение критических точек А₃ и А₄ и связанное с ним расширение или сужение -области, в результате которого при соответствующем легировании могут быть получены стали со структурой вплоть до чисто ферритной или аустенитной. К расширяющим -область железа относятся Ni, Mn, Co, C, N, Cu и др., к сужающим – Cr, W, Mo, V, Ti, Si и др. (рис. 2).

Рис. 2. Влияние легирующих элементов на вид -области диаграммы

а – открытая область;

б – замкнутая область

1.2.2. Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита

Все легирующие элементы, кроме Со, сдвигают диаграмму изотермического превращения вправо, т.е. они увеличивают время распада аустенита. Молибден, марганец, хром действуют особенно резко; никель, вольфрам, медь – более умеренно; кремний, алюминий влияют незначительно.

Карбидообразующие элементы вносят не только количественные, но и качественные изменения в кинетику изотермического превращения.

Так, в сталях, легированных, например, хромом, молибденом, вольфрамом, наблюдаются два максимума скорости изотермического распада аустенита, разделенных областью высокой устойчивости переохлажденного аустенита (рис. 3).

Рис. 3 Схема диаграмм изотермического распада аустенита:

а – углеродистая сталь (1) и сталь, легированная некарбидообразующими

элементами (2);

б – углеродистая сталь (1) и сталь, легированная карбидообразующими

элементами (2)

Прокаливаемость стали находится в прямой зависимости от устойчивости переохлажденного аустенита. Очевидно, что чем больше сдвинута диаграмма изотермического превращения аустенита вправо, тем больше прокаливаемость стали. Следовательно, все легирующие элементы, за исключением кобальта, увеличивают прокаливаемость.

1.2.3. Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение

Легирующие элементы влияют на положение температурного интервала мартенситного превращения, а это, в свою очередь, отражается и на количестве остаточного аустенита, которое фиксируется в закаленной стали. Некоторые элементы повышают мартенситную точку и уменьшают количество остаточного аустенита (алюминий, кобальт), другие не влияют на нее (кремний), но большинство снижает мартенситную точку и увеличивает количество остаточного аустенита (рис. 4).

Рис. 4. Влияние легирующих элементов на температуру мартенситного

превращения и содержание остаточного аустенита

1.2.4. Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита

Все легирующие элементы уменьшают склонность аустенитного зерна к росту. исключение составляют марганец и бор, которые способствуют росту зерна. Остальные элементы, измельчающие зерно, оказывают различное влияние: никель, кобальт, кремний, медь относительно слабо влияют на рост зерна; хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан сильно измельчают зерно (элементы перечислены в порядке роста силы их действия).

1.2.5. Влияние легирующих элементов на превращения

при отпуске

Легирующие элементы замедляют процесс распада мартенсита. Некоторые элементы, такие как никель или марганец, влияют незначительно, тогда как большинство (хром, молибден, кремний и др.) – весьма заметно.

Это связано с тем, что процессы при отпуске имеют диффузионный характер и большинство легирующих элементов замедляют карбидное превращение, в особенности на стадии коагуляции.

2. НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ТИПЫ

ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Ниже на примере конкретных композиций сталей различных структурных классов и назначения изучается влияние состава, термической обработки на структуру, механические и специальные свойства.

2.1. Перлитные стали

Перлитные стали представляют собой низко- и среднелегированные композиции конструкционного и инструментального назначения. Требуемые структура и свойства обеспечиваются соответствующей термической обработкой, в основном закалкой и отпуском.

В качестве примера стали этого класса рассмотрим конструкционную улучшаемую сталь марки 40Х. По ГОСТ 4543-71 /1/ она имеет следующий химический состав, вес. %: С = 0,36 – 0,44; Cr = 0,8 – 1,0; Mn = 0,5 – 0,8; Si = 0,17 – 0,37; S  0,035; Р  0,035.

В отожженном состоянии структура стали 40Х не отличается от структуры стали 40 и состоит из феррита и перлита (рис. 5), однако феррит и цементит, входящие в состав перлита этой стали, легированы хромом, что отражается на ее свойствах, особенно прочностных. Легирование хромом до 1% способствует измельчению зерна, улучшает прокаливаемость стали, позволяя производитель закалку в масле вместо воды, что уменьшает коробление деталей сложной конфигурации (критический диаметр при закалке в масле стали 40Х составляет 15 мм, стали 40 при закалке в воде – 10 мм). В улучшенном состоянии (закалка – высокий отпуск) сталь 40Х имеет структуру сорбит отпуска (рис. 6), которая обеспечивает наилучший комплекс механических свойств, значительно более высокий, чем у стали 40 после соответствующей термической обработки). Легирование хромом несколько повышает порог хладноломкости. Сталь 40Х применяется для ответственных деталей машин: шестерен, валов, осей, шатунов и других в сечениях до 25 – 40 мм.