1.2.9. Влияние легирующих элементов на полиморфное превращение в железе

Легирующие элементы изменяют температуру полиморфных превращений в железе, т.е. точки А₃и А₄, тем самым влияя на вид диаграмм железо - элемент.

По влиянию легирующих элементов на диаграмму состояния их можно разделить на две группы, каждая из которых в свою очередь делится на две подгруппы. На рис. 1.16 приведена схема, иллюстрирующая классификацию легирующих элементов по их влиянию на полиморфизм железа.

К первой группе относятся легирующие элементы, расширяющие g-область (рис.1.16, а, б). Расширениеg-области будет происходить в том случае, если легирующий элемент повышает точку А₄и понижает точку А₃. При этом возможно существованиеg-фазы во всем интервале концентраций (открытаяg-область) и ограничение области существованияg-фазы вследствие появления новых фаз и образования гетерогенных областей (расширеннаяg-область).

Таким образом, легирующие элементы первой группы можно еще разделить на элементы, образующие с железом сплавы со структурой неограниченного гомогенного твердого раствора (рис. 1.16, а), к ним относятся никель, марганец, кобальт, палладий, платина, и на элементы, образующие сплавы, в которых гомогенная область ограничивается гетерогенной вследствие образования новых фаз (рис. 1.16, б). К таким элементам относятся: углерод, азот, медь, цинк.

Ко второй группе относятся элементы, сужающие g-область (рис. 1.16, в, г). Сужениеg-области будет происходить в том случае, если легирующий элемент понижает точку А₄и повышает точку А₃. При определенной концентрации легирующего элемента может происходить полное замыканиеg-области. В этой группе различают также двойные системы с замкнутойg-областью и гомогеннойa-областью (закрытаяg-область, рис. 1.16, б) и системы, в которыхg-область ограничена областью гетерогенных структур (суженная -g-область, рис. 1.16, г).

Таким образом, легирующие элементы второй группы разделяют на элементы, образующие с железом сплавы с полностью замкнутой g-областью и образованием гомогеннойa-области (Be, Al, Si, V, Cr, Mo, W, Ti, As, Sn, Sb), и элементы, образующие с железом сплав с суженнойg-областью, ограниченной гетерогенной областью (Re).

а б в г

Рисунок 1.16 – Влияние легирующих элементов на вид γ-области диаграммы

железо – легирующий элемент

а – открытая, б – расширенная, в – закрытая, г - суженная

Элементы, расширяющие -область называются аустенитообразующими, или -стабилизаторами, а элементы, расширяющие -область – ферритообразующими, или -стабилизаторами.

Приведенная на рис. 1.16 схема не охватывает всего многообразия возможных вариантов влияния легирующих элементов на критические точки А₃ и А₄ и, следовательно, на вид диаграммы железо – легирующий элемент. Так, хром, относящийся к элементам, замыкающим -область, вначале понижает критические точки А₄ и А₃ и только начиная с определенной концентрации (8 %) начинает повышать точку А₃. аналогичное наблюдается и для молибдена, алюминия, ванадия. Кобальт, способствующий получению открытой -области, вначале несколько повышает точку А₃.

При легировании железа несколькими элементами одновременно их влияние на получение - и -фаз не суммируется. Более того, в ряде случаев их влияние может быть даже противоположным действию этого элемента в двойном сплаве. Например, хром в тройном твердом растворе Fe-Cr-Ni способствует получению -, а не -фазы, как в двойном сплаве Fe-Cr.

Причины влияния на полиморфизм железа разные для разных легирующих элементов. Для углерода и азота, образующих твердые растворы внедрения, расширение -области связано с наличием больших позиций внедрения (октаэдрических пор) в гранецентрированной решетке.

Для легирующих элементов, образующих с железом твердый раствор замещения, одной из причин расширения или сужения -области является изменение скрытой теплоты превращения при перестройке г.ц.к. решетки в о.ц.к. Если поглощенное тепло, приходящееся на единицу концентрации растворенного элемента в - или -железе выразить через Н и Н, а ΔН=Н – Н, то в случае, когда ΔН положительно, термодинамически выгодно существование -фазы, и диаграмма будет иметь открытую или расширенную -область (см. рис. 1.16, а, б). Если же ΔН отрицательно, получим диаграмму с закрытой -областью (см. рис. 1.16).

Примерами сталей аустенитного класса могут быть коррозионностойкие стали типа 12Х18Н9Т и износостойкие типа 110Г13Л, а ферритного класса – электротехнические стали и коррозионные стали типа 10Х25Т.