6.8.2. Превращения в сплавах железо-графит
Диаграмма состояния Fe – C нанесена на диаграммы состояния Fe3C – Fe штриховыми линиями(рис. 6.9). Её чтение принципиально не отличается от чтения диаграммы состояния Fe – Fe3C, но во всех случаях из сплавов выпадает не цементит, а графит. Железоуглеродистые сплавы могут кристаллизоваться в соответствии с диаграммой Fe – графит только при медленном охлаждении и наличии графитизирующих добавок (Si, Ni и др.).
6.8.3. Влияние легирующих элементов на равновесную структуру сталей
Легированные стали, содержащие добавки других элементов, помимо Fe, С и постоянных примесей, широко используют в машиностроении. В качестве легирующих наиболее часто используют Cr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Ti, Nb, реже – Co, Al, Cu, B и некоторые другие.
Почти все легирующие элементы изменяют температуры полиморфных превращений железа, эвтектоидной и эвтектической реакций, влияют на растворимость углерода в аустените.
Так, например, известно, что при tº=20-25ºC стабилен феррит (Feα). В сплавах Fe c Ni, Mn, Co (рис.6.14) понижается температура существования линий GS и PSK на равновесной диаграмме состояния системы железо-углерод (рис.6.8), γ – область открывается, и с концентрацией добавки, соответствующей точке b, ГЦК – решетка аустенита (Feγ) становится устойчивой при 20-25ºС; такие сплавы называются аустенитными сталями.
Рис. 6.14 Диаграмма состояния Fe-легирующий элемент
с открытой γ-областью (схема)
Легирующие элементы Cr, Al, Mo, W, V, Si, Ti понижают температуру существования линий GS и PSK на равновесной диаграмме состояния системы железо-углерод (рис.6.8), расширяют температурный интервал устойчивости Feα и образуются ферритные стали (однофазные сплавы с ОЦК-решеткой – твердые растворы на основе Feα.(рис. 6.15, 6.16).
Из перечисленных элементов, дающих замкнутую γ – область, только Sr и V не образуют с Fe промежуточных фаз, и поэтому, α – область “открывается” (рис. 6.15 а ) – наблюдается неограниченная растворимость этих элементов в Fe с ОЦК – решеткой. Остальные легирующие элементы, замыкающие область, образуют с Fe промежуточные фазы, поэтому при определённых концентрациях легирующего элемента на диаграммах появляется линия, ограничивающая растворимость, правее которой расположены трехфазные области (рис.6.15 б).
Таким образом, введение легирующих добавок в стали приводит к образованию однофазных структур - Feα или Fe γ . Все легирующие элементы не только влияют на положение точек G, Е, S диаграммы Fe-Fe3C, но и сдвигают эти точки влево, т.е. уменьшают эвтектоидную концентрацию углерода и предельную растворимость углерода в аустените.
Рис.6.15. Диаграмма состояния железо-легирующий элемент с замкнутой ɤ-областью
а – открытая α-область; б – закрытая α-область
Рис. 6.16. Влияние легирующих элементов на протяженность γ-области
6.8.4. Карбиды и нитриды в легированных сталях
По характеру взимодействия с углеродом все легирующие элементы разделяют на карбидообразующие и не образующие карбидов (никель, кремний, алюминий, кобальт, медь).
К карбидообразующим относятся переходные металлы с недостроенной d-электронной оболочкой (табл. 6.8). Чем меньше электронов на оболочке, тем больше сродство к углероду.
В сталях карбидообразующими являются: Fe, Cr, Mn, Mo, W, V, Ti, Nb (в порядке возрастания их карбидообразующей способности).
При введении в сталь карбидообразующего элемента в небольшом количестве (от десятых долей до 2%) образования карбида этого элемента чаще всего не происходит. Образуется легированный цементит (Fe, Cr)3С или в общем виде Ме3С. При увеличении содержания карбидообразующих элементов выше предела растворимости, образуются специальные карбиды, например, Cr7C3.
Сильные карбидообразователи Мо, W, V, Nb, Ti образуют с углеродом фазы внедрения чаще всего формулы МеС.
Фазы внедрения отличающиеся очень высокой тугоплавкостью, практически не растворимы в аустените. Вследствие нерастворимости фаз внедрения происходит обеднение аустенита углеродом при легировании стали сильными карбидообразователями.
Аналогичные образования наблюдаются в сталях при достаточном количестве азота, эти фазы называются нитридами.
Таблица 6.8
Структура карбидов и нитридов металлов
Карбиды и нитриды в сталях повышают ее твердость и прочность (особенно Si, Mn, Ni), снижают пластичность и вязкость, повышают (Cr, Si, V) или понижают (Ni) порог хладноломкости, снижают ударную вязкость (кроме никеля).