Влияние легирующих элементов на равновесную структуру и свойства сталей
Влияние легирующих элементов на свойства феррита и аустенита. В конструкционных сталях феррит – основная структурная составляющая (не менее 90 % по объему), во многом определяющая их свойства.
Легирующие элементы, растворенные в феррите, повышают значения временного сопротивления, не изменяя существенно относительного удлинения, за исключением марганца и кремния при содержании их больше 2,5–3,0 % (рис. 4.37). Наиболее сильно упрочняют феррит, кремний, марганец и никель.
Остальные элементы сравнительно мало изменяют прочность феррита. Легирующие элементы при введении их в сталь в количестве 1–2 % снижают ударную вязкость (рис. 4.37, в) и повышают порог хладноломкости.
Исключение составляет никель, который упрочняет феррит при одновременном увеличении его ударной вязкости с понижением порога хладноломкости.
Рис. 4.37. Влияние легирующих элементов
на механические свойства феррита
Феррит, легированный хромом, марганцем и никелем, при быстром охлаждении из области температур γ-раствора претерпевает мартенситное возрастает до 200–250 НВ. Повышение твердости происходит вследствие наклепа феррита в процессе γ → α-превращения, протекающего с увеличением объема. Наклеп, вызываемый фазовыми превращениями, называют фазовым наклепом.
Легирующие элементы, растворяясь в γ-железе, повышают прочность аустенита при нормальной и высоких температурах. Для легированного аустенита характерны низкий предел текучести при сравнительно высоком пределе прочности. Аустенит легко наклепывается, т.е. быстро и сильно упрочняется под действием деформации. Аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения.
Карбидная фаза в легированных сталях. По отношению к углероду легирующие элементы подразделяют на две группы:
1) графитизирующие элементы: Si, Ni, Сu, А1 (находятся в твердом растворе);
2) карбидообразующие элементы:
Fe → Мn → Сr → Мо → W → Nb → V → Zr → Ti
(расположены по возрастающей степени сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз).
При малом содержании в стали таких карбидообразующих элементов, как Мn, Сr, W и Мо, последние растворяются в цементите, замещая в нем атомы железа. Состав цементита в этом случае может быть выражен формулой (Fe, М)3С, где М – легирующий элемент.
Более сильные карбидообразующне элементы (Ti, Nb, V, Zr) практически не растворяются в цементите и образуют самостоятельные специальные карбиды.
При повышенном содержании хрома, вольфрама, молибдена в зависимости от содержания углерода в стали могут образовываться специальные карбиды. Если содержание хрома не превышает 2 %, то образуется легированный цементит (Fe, Сr)3С. При повышенном содержании хрома образуется специальный карбид (Сr, Fе)7С3. При еще больших содержаниях хрома (более 10–12 %) образуется карбид (Сr, Fe)23C6.
При введении вольфрама и молибдена в сталь в количестве, превышающем предел насыщения цементита этими элементами, образуются сложные карбиды Fе3Мо3С(Fе2Мо2С) и Fе3W3С(Fе2W2С).
Специальные карбиды, образуемые легирующими элементами, способны растворить железо и другие металлические элементы. Так, например, карбид Сr7С3 при 20 ｰС растворяет до 55 % Fe, образуя сложный карбид (Сr , Fе)7С3, а карбид Cr23C6 – до 35 % Fe, образуя карбид (Сr, Fe)23C6.
Приняты следующие обозначения карбидов: М3С (карбиды цементитного типа), М23С6 и М7С3 (карбиды, имеющие кристаллическую решетку карбидов хрома), М6С и М4С (карбиды с решеткой, в которой атомы металла расположены по типу карбидов вольфрама или молибдена) и, наконец, МС (карбиды по типу кубической гранецентрированной решетки). Под символом М подразумевается сумма металлических элементов, входящих в состав карбида.
При высоком содержании легирующие элементы образуют с железом или друг с другом интерметаллические соединения. Примером таких соединений могут служить Fe7Mo6, Fe7W6, Fе3Nb2, Fe3Ti и др. В сплавах Fe–Сr и Fe– V образуются твердая и хрупкая σ-фазы, отвечающие соединению FeCr и FeV.
В сплавах Fe–Сr–Мо (8–27 % Сr и более 5 % Мо), Fе–Сr–Ni–Мо (2–3 % Мо) может образовываться хрупкая χ-фаза состава Fe3CrMo.