1. Легированные стали.

Потребность современной техники в материалах, способных работать в различных условиях: при повышенных и высоких температурах, в агрессивных средах, в условиях интенсивного износа, при низких отрицательных температурах и т.д., привела к созданию специального класса сталей, обладающих необходимыми свойствами.

При формировании таких материалов в сталь начали вводить определенные элементы. Эти элементы называют легирующими, а сталь, содержащую легирующие элементы, - легированной.

В легированных сталях удалось повысить прокаливаемость, по сравнению с углеродистыми сталями, обеспечить более высокие антикоррозионные свойства и износостойкость, и существенно увеличить другие характеристики.

В качестве легирующих элементов очень часто используются хром, кремний, марганец, вольфрам, молибден, кобальт, титан, ванадий, никель и др.

Эти элементы, будучи введенными в сталь, могут находиться в твердом растворе или в карбидной фазе. Попадая в карбидную фазу, они могут при небольшой концентрации замещать часть атомов железа в цементите, и тогда карбид приобретает вид (Fe, Me)₃С.

Me – это тот элемент или металл, который введен в сталь. Например (Fe,Cr)₃C.

При достаточной концентрации легирующего элемента и значительной его карбидообразующей способности могут образовываться в стали специальные карбиды – МеС, Ме₆С и др. Например, при введении в сталь таких элементов как хром, вольфрам, ванадий, могут образоваться карбиды Cr₇C₃, Cr₂₃C₆, Fe₃W₆C.

Эти карбиды имеют более высокую твердость, чем цементит, труднее диссоциируют и растворяются в аустените при нагреве, медленнее растут, коагулируют при повышенных температурах.

Следовательно, сталь, в структуре которой имеются специальные карбиды, будет более износостойкая, более теплостойкая. При закалке ее следует нагревать до более высоких температур, чтобы растворить в аустените эти карбиды.

При большом количестве некоторых легирующих элементов в сталях и сплавах могут образовываться интерметаллические соединения. Примерами их могут быть Fe₂W, Co₇W₆, Ni₃Ti.

Попадая в твердые растворы стали (аустенит, феррит, мартенсит), легирующие элементы также влияют на их свойства и температурную область существования.

Так, марганец и никель расширяют на соответствующей диаграмме область существования аустенита, а хром, вольфрам и некоторые другие сужают эту область.

Большинство легирующих элементов замедляют распад переохлажденного аустенита на феррито-цементитную смесь вследствие замедления скорости диффузии в аустените (исключение составляет кобальт). Это позволяет закаливать данные стали с охлаждением в более «мягких» средах, т. е. с более медленным охлаждением, чем при закалке углеродистых сталей. Например, легированные стали закаливаются с охлаждением в масле, а некоторые даже на воздухе.

За счет замедления скорости диффузии на С-образной диаграмме кривые смещаются вправо по оси времени (рис. 1).

Это обстоятельство приводит к уменьшению критической скорости охлаждения при закалке и позволяет упрочнять закалкой более массивные изделия, с большим сечением по сравнению с изделиями, изготовленными из углеродистых сталей.

Так, если прокаливаемость углеродистых сталей составляет 10-15 мм (критический диаметр), то у легированных сталей она достигает до 100-200 мм и больше.

Следует отметить, что закалка с меньшими скоростями охлаждения способствует уменьшению величины возникающих внутренних напряжений и тем самым снижает вероятность появления закалочных трещин. Это особенно важно при закалке деталей сложной конфигурации.

Попадая в феррит, легирующие элементы в большинстве случаев растворяются по типу замещения и вызывают некоторое упрочнение. Например, нелегированный феррит имеет твердость НВ = 60-80, а при введении 1, 2 и 4% кремния твердость возрастает соответственно до 120, 140 и 195НВ. Пластические свойства обычно при этом уменьшаются.

Легированный мартенсит более устойчив к распаду при нагреве, при отпуске. Это связано с замедлением диффузионных процессов за счет легирования. Такое влияние легирующих элементов на мартенсит используется при создании теплостойких сталей, работающих в изделиях при повышенных температурах.