9.1.2. Влияние легирующих компонентов на структуру и свойства сталей.

В качестве легирующих используют элементы, которые взаимодействуют с железом и (или) углеродом. Основными легирующими элементами сталей металлы. С железом они образуют твердые растворы замещения. Железо является полиморфным металлом и имеет две модификации: железо-a (решетка ОЦК) и железо-g (решетка ГЦК). В железе-a хорошо растворяются элементы, имеющие объемно-центрированную кубическую решетку; соответственно, в железе-g - элементы с гранецентрированной решеткой.

К первой группе относятся хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан и кремний. Они образуют с железом диаграмму состояния с расширенной областью сплавов с решеткой ОЦК - a-твердых растворов. При этом область g-твердых растворов резко уменьшается (рис. 9.1а). Сплавы, не претерпевающие a↔g превращения, т.е. лежащие правее точки «а» на оси концентраций называются ферритными. Их структура при нагреве не меняется, она остается однофазной до начала плавления.

Ко второй группе относятся марганец, никель и кобальт. Эти элементы образуют с железом диаграмму состояния с расширенной областью сплавов с решеткой ГЦК - g-твердых растворов, уменьшая область существования a-твердых растворов (рис. 9.1б). Сплавы, не претерпевающие g↔a превращения, т.е. лежащие правее точки «а» на оси концентраций называются аустенитными.

По взаимодействию с углеродом легирующие элементы делятся карбидообразующие – они образуют собственные карбиды, графитообразующие (графитизаторы) – способствующие распаду карбидов с выделением свободного углерода и нейтральные.

Карбидообразующими являются марганец, хром, молибден, вольфрам, ванадий и титан. В Периодической системе они располагаются слева от железа и чем левее, тем больше (сильнее) выражена их карбидообразующая способность. Таким образом, самым сильным карбидообразующим является титан, а наиболее слабым – марганец. Железо является еще более слабым карбидообразующим компонентом, чем марганец.

При малых количествах карбидообразующие элементы растворяются в цементите, частично замещая атомы железа в его кристаллической решетке. Образуется легированный цементит, мало отличающийся по свойствам от нелегированного. При повышенных концентрациях легирующих элементов они образуют собственные карбиды.

Энергия связи атомов углерода и сильных карбидообразующих элементов значительно выше, чем атомов углерода и железа. Это определяет большую твердость этих карбидов: твердость цементита - 800…1000 HV, карбида титана (TiC) - 3200 HV. Кроме того, повышается устойчивость при нагреве карбидов сильных карбидообразующих элементов, они растворяются в аустените при более высоких температурах. Графитизаторами являются никель и кремний. Так, кремний сильно ускоряет реакцию графитизации, т.е. распад цементита с образованием свободного углерода и в качестве графитизатора широко используется при выплавке чугунов.

К нейтральным элементам относится кобальт. Поэтому его используют в твердых сплавах в качестве металла - связки (см. ниже – 23.3).

Основные преимущества легированных сталей перед углеродистыми проявляются при термической обработке. Это связано с изменением вида диаграммы изотермического превращения аустенита - повышается устойчивость переохлажденного аустенита, при этом на «С – образной диаграмме» линия начала распада аустенита смещается вправо (рис. 9.2а). Это приводит к снижению критической скорости охлаждения, т.е. увеличению прокаливаемости.

Таким образом, из легированных сталей следует изготавливать детали большого сечения, которые необходимо упрочнять по всему сечению. Кроме того, важным преимуществом легированных сталей, являющимся следствием их повышенной прокаливаемости, является возможность более медленного их охлаждение при закалке (в масле или расплавленных солях, а не в воде, как детали из углеродистых сталей). Это уменьшает закалочные напряжения и, следовательно, деформацию деталей, предупреждает образование трещин. Следовательно, детали сложной формы, склонные к деформациям при закалке, следует изготавливать из легированных сталей.

Влияние легирующих элементов на вид «С – образной диаграммы» проявляется также в том, что большинство легирующих элементов снижает мартенситные точки М_н и М_к (рис. 9.3). Это приводит к появлению в структуре закаленных сталей остаточного аустенита. Особенно сильно увеличивается его количество в высокоуглеродистых сталях. В тех случаях, когда наличие остаточного аустенита недопустимо для его устранения в технологии термической обработки деталей необходимо предусмотреть обработку холодом. Исключением являются алюминий и кобальт – они повышают точки М_н и М_к, а также кремний, не оказывающий влияния на эти температуры.