Влияние легирующих элементов на критические точки стали

Железо является полиморфным металлом и имеет две формы кристаллического строения: -железо с ОЦК решеткой и -железо с ГЦК решеткой. В связи с этим все легирующие элементы по их растворимости в железе делят на две группы.

К первой группе относятся легирующие элементы, хорошо растворяющиеся в -железе и плохо в -железе. К ним относятся те элементы, которые имеют ГЦК решетку. Эти легирующие элементы повышают точку А₄ и понижают А₃, и расширяют -область (рисунок слева). При этом возможно существование -фазы во всем интервале концентраций (открытая -область: Ni, Mn, Co, Pd, Pt – рисунок слева а) и ограничение области существования -фазы вследствие появления новых фаз и образования гетерогенных областей (расширенная -область: C, N, Cu, Zn – рисунок выше б).

Ко второй группе относятся элементы, хорошо растворяющиеся в -железе и плохо в -железе. Это элементы с ОЦК решеткой. Эти легирующие элементы. понижают точку А₄ и повышают точку А₃, сужая -область При определенной концентрации легирующего элемента может происходить полное замыкание -области. В этом случае возможно образование двойных систем с замкнутой -областью и гомогенной -областью (закрытая -область: Be, Al, Si, V, Cr, Mo, W, Ti, As (мышьяк), олово, сурьма – рисунок выше в) и систем, в которых -область ограничена областью гетерогенных структур (суженная -область: рений – рисунок выше г).

Т.о. при большом содержании легирующих элементов полиморфное превращение в сталях может отсутствовать. Так, например, при содержании марганца или никеля в количестве больше точки b₂ (рис. б слева) устойчивым во всем интервале температур сохраняется аустенит: такие стали называют аустенитными.

При содержании хрома, ванадия, кремния выше концентрации, определяемой точкой a₂ (рис.а слева), устойчивым является феррит: такие стали называют ферритными.

Легирующие элемента могут смещать также точку А_с1, соответствующую превращению перлита в аустенит. Это связано с двумя факторами. С одной стороны, легирующие элементы изменяют температуру -превращения для феррита, входящего в состав перлита, и, с другой стороны, влияют на температуру диссоциации карбидов и растворения углерода и легирующих элементов в -железе.

Карбидообразующие элементы повышают температуру диссоциации карбидов, и если при этом они также повышают температуру -превращения, то влияние их на точку А_с1 особенно сильно (рисунок слева).

Некарбидообразующие элементы, растворяясь в цементите, понижают температуру диссоциации карбида. При этом никель и марганец понижают температуру -перехода и, следовательно, снижают точку А_с1. Хром до 12…13% сравнительно слабо повышает А_с1, а при содержании его более 14% наблюдается резкое повышение А_с1.

Легирующие элементы влияют также на положение эвтектоидной точки S и предельную концентрацию углерода в аустените (точку E). Некарбидообразующие элементы, растворяясь в феррите и замещая часть атомов железа в его решетке, уменьшают содержание железа в эвтектоиде и смещают точку S в сторону меньших содержаний углерода (рисунок слева). Аналогично влияют карбидообразующие элементы, которые в большом количестве растворяются в феррите, карбиды которых участвуют в образовании эвтектоида (например, Mn, Cr). Такие элементы, как Mo и W, сначала уменьшают, а затем увеличивают содержание углерода в эвтектоиде.

Большинство легирующих элементов растворяясь в аустените и изменяя параметры его кристаллической решетки, понижает предел растворимости углерода в -железе и, следовательно, смещает точку E в сторону меньших концентраций углерода.