5.5. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

Чем больше содержание углерода в стали, тем выше её прочность и твёрдость, а пластичность и вязкость ниже (рис. 25). При содержании С>0,8% прочность падает из-за образования по границам зёрен хрупкой цементитной сетки (см. рис. 20 з).

Постоянные примеси попадают в сталь в процессе выплавки.

Полезные примеси: Mn от 0,3 до 0,8% и Si до 0,4%. Кремний повышает предел текучести, но снижает пластичность, марганец повышает прочность, не снижая пластичности.

Вредные примеси: сера, фосфор и газы (О2, Н2, N2). Сера вызывает красноломкость – разрушение металла при горячей обработке давлением (1000…1200˚С). Марганец связывает серу в более тугоплавкое соединение MnS, предупреждая красноломкость. Фосфор способствует хладноломкости стали, каждая 0,01% Р повышает порог хладноломкости на 20…25˚С. Газы охрупчивают сталь.

Рис. 25. Зависимость характеристик механических свойств сталей от содержания углерода

5.6. Легирующие элементы в сталях

Для улучшения свойств в стали дополнительно вводят легирующие элементы (ЛЭ). Наиболее часто используют хром (Cr), никель (Ni), марганец (Mn), кремний (Si), молибден (Mo), вольфрам (W), ванадий (V), ниобий (Nb), титан (Ti).

5.6.1. Фазы в легированных сталях

Основными твердыми фазами в легированных сталях являются:

Легированный феррит (ФЛ) – твёрдый раствор углерода и ЛЭ в Feα;

Легированный аустенит (АЛ) – твёрдый раствор углерода и ЛЭ в Feγ;

Легированный цементит (ЦЛ) – (Fe, ЛЭ)3C;

Карбиды (К) – химические соединения легирующих элементов с углеродом, например, TiC, Mn3C, Cr7С3.

Интерметаллиды (И) – химические соединения между металлами, например, Fe7W6, Ni3Al, Fe3Ti.

5.6.2. Влияние легирующих элементов на свойства стали

Легирующие элементы, растворённые в феррите и аустените, повышают прочность (твёрдорастворное упрочнение). Обычно при упрочнении пластичность снижается. Никель (до 4,5%), увеличивая прочность, одновременно повышает пластичность, вязкость и снижает порог хладноломкости.

Дисперсные карбиды и интерметаллиды, выделяясь из твёрдых растворов, препятствуют движению дислокаций, вызывая дисперсионное упрочнение.

Фазы внедрения и бор (до 0,01%), выделяясь по границам зёрен, препятствуют диффузии и сдерживают рост зёрен до 1100˚С.

Карбидообразующие элементы (Ti, V и Nb) способствуют измельчению зерна.

Легирующие элементы, растворённые в аустените, замедляют диффузионные процессы, повышая его устойчивость, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость стали. Mo и W предупреждают обратимую отпускную хрупкость легированных сталей.

Легирующие элементы придают сталям особые физические свойства: коррозионную стойкость, жаропрочность, износостойкость и др.

5.6.3. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа

Легирующие элементы влияют на точки полиморфного превращения железа (А3 и А4), изменяя области существования феррита и аустенита. Различают две группы легирующих элементов: α- и γ-стабилизаторы (рис.26).

К α-стабилизаторам относятся элементы с ОЦК решёткой: Cr, Mo, W, V, Nb. Они повышают температуру А3 и понижают А4, расширяя область α-твёрдого раствора (рис. 26 а). При концентрации α-стабилизатора больше Х сплавы Fe-ЛЭ не испытывают полиморфного превращения и имеют структуру легированного феррита.

К γ-стабилизаторам относятся элементы с ГЦК решёткой: Mn, Ni, Cu и др. Они снижают температуру и повышают А4 расширяя область γ-твёрдого раствора (рис. 26 б). Сплавы, с концентрацией γ-стабилизатора больше Y имеют структуру легированного аустенита.

а)

б)

Рис. 26. Влияние легирующих элементов на точки полиморфного превращения железа: а – -стабилизаторы, б –-стабилизаторы