9 Влияние легирующих элементов на процессы, протекающие в сталях при сварке

Кинетика процессов структурно-фазовых переходов при нагреве и охлаждении в значительной, а в ряде случаев в определяющей степени зависит от характеристик аустенита перед превращением – размера его зерна и степени гомогенизации по содержанию углерода и легирующих элементов, уровня дефектности. Поэтому для управления процессами структурообразования при сварке и термообработке необходимо знать закономерности влияния химических элементов на процессы структурообразования.

В общем случае для структуры реальных сплавов характерна микро- и макрохимическая неоднородность. Как известно, микрохимическая неоднородность характерна для литой структуры металла шва. Тело дендритов обеднено, а междендритные прослойки обогащены углеродом, легирующими и примесными химическими элементами. Макрохимическая неоднородность предопределяется наличием вторых фаз – карбидов, неметаллических включений в структуре металла шва, ЗТВ и основного металла.

В сплавах, содержащих неравновесные избыточные фазы, в процессе нагрева выше критических точек протекают следующие основные процессы: выравнивание концентрации внутри зерна аустенита, растворение неравновесных избыточных фаз, рост зерна аустенита.

Одновременно с процессом растворения включений второй фазы протекает процесс выравнивания химического состава в объеме всей структуры. Оба процесса контролируются диффузией углерода и легирующих элементов. Легирующие элементы в составе стали по-разному взаимодействуют с основными ее компонентами – железом и углеродом, что предопределяет различия в их влиянии на процессы, протекающие в металле при нагреве и охлаждении.

С основой стали – железом легирующие элементы дают растворы замещения. Как правило, они повышают прочность, снижают пластичность и вязкость металла. Исключение составляют марганец и никель, содержание которых в определенных количествах повышает вязкость стали. Взаимодействие легирующих элементов неоднозначно. С одной стороны, легирующие элементы, расположенные в периодической системе элементов левее железа, способны либо непосредственно образовывать с углеродом карбид, либо заменять часть атомов железа в его карбиде. С другой стороны, легируя феррит и изменяя энергетические условия взаимодействия с решеткой внедренных атомов углерода, легирующие элементы влияют на кинетику полиморфных превращений. Активность химических элементов как карбидообразователей тем сильнее и тем больше устойчивость образовавшихся карбидов, чем менее достроена d-электронная полоса у атома. По степени увеличения степени сродства к углероду и повышения устойчивости элементы располагаются в следующий ряд: Мn, Сг, W, Mo, V, Ti. Поскольку карбиды, имеющие одинаковую химическую формулу, способны взаимно растворяться, то в сталях встречаются карбиды шести типов, которые можно объединить в две группы (Me – сумма карбидообразующих металлических элементов):

I группа — Ме₃С, Ме₂₃С_в, Ме₇С₃, Ме₆С;

II группа — МеС, Ме₂С.

Карбиды труппы I со сложной кристаллической решеткой при нагреве легко растворяются в аустените. Карбиды группы II, как фазы внедрения, имеющие простую кристаллическую решетку и кристаллизующиеся обычно со значительным дефицитом по углероду, термостойки и даже при высоких температурах могут не перейти в твердый раствор.

Для каждого карбидообразующего элемента существует опре­деленное отношение его содержания в стали к содержанию углерода (Ме/С), при котором все количество углерода, имеющегося в стали, и все количество легирующих элементов оказываются связанными в виде карбида этого элемента. При Ме/С меньше критического значения избыток углерода будет образовывать цементит, при Ме/С больше критического избыток легирующего элемента будет растворяться, изменяя его свойства, как правило, повышая прочность и снижая ударную вязкость.

Для наиболее равновесных условий существования карбидной фазы в низко- и средне легированных сталях значения Ме/С приведены в табл. 6.

Таблица 6 – Зависимость критического значения отношения Ме/С

от температуры нагрева в течение 100 ч

Температура, 0С	Легирующие элементы
	С	Мо	W	V	Nb
700 625 550	4,8/1,1 5,0/1,15 6,0/1,4	7,9/0,95 14,3/1,7 16,6/2,0	14,6/0,95 27,0/1,25 30,0/1,95	4,0/0,95 6,0/1,4 7,0/1,65	7,0/0,91 7,0/0,91 8,0/1,04

Примечание. В числителе указано значение в процентах по массе, в знаменателе – в атомных процентах.