Влияние легирующих элементов на механические свойства сталей.
Легированными называют стали, в которые для получения требуемых свойств специально вводят легирующие элементы. При наличии элементов в количестве примерно 0,1 % легирование называют микролегированием.
Часто легирование сопровождается повышением сопротивления твердого раствора пластической деформации. Так, легирование железа марганцем способствует образованию мартенситной структуры марганцевого феррита, повышению плотности дислокаций и, как следствие, значительному возрастанию прочности твердого раствора. Но есть и исключения: например, легирование железа хромом в определенных пределах уменьшает прочность твердого раствора. Эффект упрочнения при легировании железа элементами внедрения (азот, углерод) значительно сильнее, чем элементами замещения (никель, марганец). Так, добавление в железо каждой очередной сотой доли процента углерода или азота (0,01 %) повышает предел текучести сплава на 40–50 МПа, в то время как введение аналогичного количества никеля – всего на 0,3 МПа, т.е. эффект упрочнения в последнем случае на два порядка меньше.
Механические свойства сталей зависят от размера зерна. Границы зерен могут являться барьерами для дислокаций, источниками вакансий и дислокаций, а также стоками вакансий. Как показали исследования железа и малоуглеродистой стали, прочность феррита существенно зависит от диаметра.
Так, предел текучести феррита (в отожженной стали) может возрастать при уменьшении размера зерна в три раза.
Легированные стали характеризуются лучшим комплексом физико- химических (в том числе и механических) свойств по сравнению с углеродистыми: они отличаются повышенной жаростойкостью, сопротивлением коррозии, значительной ударной вязкостью, высокими значениями предела текучести и относительного сужения, большим электросопротивлением и др.
Оптимальные механические свойства обеспечиваются формированием в результате термической обработки дисперсных структур и более мелкого зерна.
Легированные стали могут закаливаться в масле или на воздухе (ибо обладают лучшей прокаливаемостью, чем углеродистые), что способствует уменьшению деформации изделий и вероятности образования трещин.
Влияние легирующих элементов на положение критических точек и прокаливаемость сталей
Все элементы, за исключением углерода, азота, водорода и отчасти бора образуют с железом твердые растворы замещения. Они растворяются в железе и влияют на положение точек А3 и А4, определяющих температурную область существования α- и γ-железа.
К элементам первой группы относятся никель и марганец, которые понижают точку А3 и повышают точку А4. В результате этого на диаграмме состояния железо–легирующий элемент наблюдается расширение области γ-фазы и сужение области существования α-фазы (рис. 4.38, а). Как видно на рисунке, под влиянием легирующих элементов точка А4 повышается до линии солидус, а точка А3 при повышенной концентрации легирующего элемента снижается до нормальной температуры. Следовательно, сплавы, имеющие концентрацию легирующего элемента больше указанной на рисунке (точка х), не испытывают фазовых превращений α ↔ γ, при всех температурах представляют твердый раствор легирующего элемента в γ-железе. Такие сплавы называют аустенитными.
Рис. 4.38. Схема влияния легирующих элементов на полиморфизм железа
Сплавы, частично претерпевающие превращение α ↔ γ, называют полуаустенитными.
К элементам первой группы относятся также медь, углерод и азот, но они при небольшом содержании в сплаве расширяют область существования гомогенной γ-фазы (рис. 4.38, б), а при большем содержании вследствие их ограниченной растворимости в железе сначала сужают однофазную область γ-фазы и затем ее полностью выключают.
Элементы второй группы (Cr, W, Мо, V, Si, A1 и др.) понижают точку А4 и повышают точку А3. Это приводит к тому, что при определенной концентрации легирующих элементов (точка y на рис. 4.38, в) критические точки А3 и А4, а точнее их интервалы, сливаются, и область γ-фазы полностью замыкается. При содержании легирующего элемента большем, чем указано на рис. 4.38, в, сплавы при всех температурах состоят из твердого раствора легирующего элемента в α-железе. Такие сплавы называют ферритными, а сплавы, имеющие лишь частичное превращение, – полуферритными.
Такие легирующие элементы, как бор, цирконий, ниобий, даже при сравнительно небольшом содержании способствуют сужению области γ-фазы. Однако вследствие их малой растворимости в железе, прежде чем наступает полное замыкание однофазной области γ-фазы, образуются двухфазные сплавы (рис. 4.38, г).
Основой современных сложнолегированных сталей являются не двойные, а тройные, четвертные и более сложные твердые растворы. При введении в сплав нескольких легирующих элементов их влияние на α- и γ-области диаграммы состояния не всегда суммируется.
Углерод чаще повышает растворимость легирующих элементов в γ-растворе (аустените), сдвигая точку y вправо. Такие элементы, как Ni, Co, Si, W, Мо, Сr, Mn, точки S и Е сдвигают влево в сторону меньшего содержания углерода, а V, Ti, Nb, наоборот, повышают концентрацию углерода в эвтектоиде. Это объясняется тем, что составы феррита и карбидов в эвтектоиде (перлите) иные, чем в двойных железоуглеродистых сплавах. Соответственно, из-за изменения состава аустенита меняется и растворимость в нем углерода.
Нагрев легированных сталей приводит при соответствующей температуре (выше А1) к образованию аустенита. Но в легированных сталях, содержащих карбидообразующие элементы, при достаточном количестве углерода имеется карбидная фаза, которая в зависимости от её природы полностью или частично переходит в γ-твердый раствор при более высоких температурах. Наличие, наряду с аустенитом, нерастворившейся карбидной фазы (а также нитридной, карбонитридной, оксидной и др.) задерживает рост аустенитного зерна.
При высоком содержании легирующих элементов и углерода бейнитное превращение на диаграмме изотермического превращения переохлажденного аустенита может отсутствовать. При высоком содержании некарбидообразующих элементов и низком содержании углерода, напротив, перлитное превращение полностью отсутствует, и тогда говорят о том, что сталь не отжигается.
В подавляющем большинстве случаев легирующие элементы сдвигают область минимальной устойчивости в области перлитного превращения вправо, и поэтому уменьшают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Во многих легированных сталях, как уже указывалось выше, области бейнитного и перлитного превращений разделены. Это является характерным признаком легированных сталей.
Введение легирующих элементов в сталь (за исключением кобальта) снижает температуру начала и конца мартенситного превращения (Мн и Мк), что сказывается на кинетике мартенситного превращения и количестве остаточного аустенита.
При снижении мартенситной точки до 0°С и ниже сталь не претерпевает превращения А → М, и закалка фиксирует аустенитную структуру.
Сталь относится к аустенитному классу.
Для развития превращений при отпуске необходимы диффузионные перемещения атомов легирующих элементов. В связи с этим легирующие элементы замедляют или, соответственно, повышают температурные границы указанных выше превращений, но не оказывают существенного влияния на первое превращение, для развития которого требуется только диффузия атомов углерода.
При высоком содержании карбидообразующих легирующих элементов, например в быстрорежущих сталях, при отпуске образуются специальные карбиды (при температурах выше 500−550 °С).
При низком отпуске, отвечающем превращению мартенсита, тетрагональность его решетки убывает за счет выделения ε-карбида, содержащего легирующие элементы в том же количестве, что и в исходном мартенсите.
Второе превращение, связанное с образованием бейнита, из остаточного аустенита отсутствует, а третье − выражено слабо. Начиная с температуры примерно 500 °С ранее образовавшийся карбид цементитного типа растворяется, и из α-твердого раствора выпадает легированный или специальный карбид.
Никель увеличивает пластичность и вязкость стали, снижает температуру порога хладноломкости и уменьшает чувствительность стали к концентраторам напряжений, перечисленные факторы способствуют повышению сопротивления стали хрупкому разрушению.
Хром повышает жаростойкость и коррозионную стойкость стали, увеличивает ее электрическое сопротивление и уменьшает коэффициент линейного расширения. Легирование стали хромом приводит к уменьшению склонности аустенитного зерна к росту при нагреве, существенному увеличению ее прокаливаемости, а также к замедлению процесса распада мартенсита.
Кремний широко используется при выплавке стали как раскислитель.
Легирование кремнием углеродистых и хромистых сталей увеличивает их жаростойкость. Уменьшая подвижность углерода в феррите, кремний тем самым затрудняет формирование и рост цементитных частиц, что проявляется в повышении устойчивости структуры стали при отпуске. Содержание кремния в стали ограничивают, поскольку он повышает склонность стали к тепловой хрупкости.
Марганец подобно никелю, снижает критическую скорость охлаждения, но в отличие от последнего уменьшает и вязкость феррита.
Вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и другие вводят в сталь совместно с хромом, никелем и марганцем для дополнительного улучшения ее свойств.
Молибден и вольфрам повышают прокаливаемость стали (особенно в присутствии никеля), способствуют измельчению зерна и подавлению отпускной хрупкости. Легирование стали молибденом приводит к значительному улучшению ее механических свойств после цементации и нитроцементации.
При введении в сталь ванадия, титана, ниобия и циркония образуются труднорастворимые в аустените карбиды. Эффективность воздействия этих элементов (измельчение зерна, снижение порога хладноломкости, уменьшение чувствительности стали к концентраторам напряжений) проявляется лишь при их малом содержании в стали (до 0,15 %).
Положительное влияние бора на повышение прокаливаемости и прочности стали проявляется лишь при микролегировании им (0,001–0,005 %), когда атомы бора располагаются в приграничных слоях зерна аустенита, заполняют вакансии, делая структуру границ более совершенной, и таким образом уменьшают скорость зарождения центров кристализации перлита. При повышенном содержании бора он выделяется по границам зерен в виде боридов, сильно охрупчивая сталь.