1.2.3. Влияние легирующих элементов на свойства феррита

Феррит – одна из основных фаз во многих сталях. В конструкционных сталях его доля составляет 95 %, поэтому значение свойств легированного феррита позволит правильно оценить общий уровень свойств сталей.

Легированный феррит представляет собой многокомпонентный твердый раствор по типу замещения и внедрения легирующих элементов и примесей в a-железе. Дислокационные теории упрочнения твердых растворов при легировании не дают для сплавов железа совпадения расчетов с экспериментом.

Эмпирически установлено, что количественная оценка упрочнения железа при легировании возможна на основе аддитивного вклада упрочняющего влияния отдельных ле­гирующих элементов на свойства a-твердого раствора железа. Так, при одновременном легированииa-феррита атомами нескольких легирующих элементов их влияние на упрочнение может быть просуммировано:

,

где – коэффициент упрочнения феррита, представляющий собой прирост предела текучести при растворении в нем 1 % (по массе) i-того легирующего элемента;– концентрация i-того легирующего элемента, растворенного в феррите, % (по массе).

Значения К_iдля легирующих элементов, входящих в состав феррита приведены ниже:

Элемент	С+N	P	Si	Ti	Al	Cu	Mn	Cr	Ni	Mo	V
, МПа/1 % (по массе)	4670	690	85	80	60	40	35	30	30	10	3

Необходимо отметить, что при оценке упрочнения феррита по приведенной формуле следует брать концентрацию легирующего элемента, растворенного в феррите, а не содержание этого элемента в стали.

На рис. 1.6 представлено влияние концентраций элементов замещения на свойства железа высокой чистоты. Эти данные показывают, что в области малых концентраций наибольшее упрочняющее влияние оказывает фосфор, тогда как хром, находящийся в феррите, в наименьшей степени упрочняет железо.

При образовании твердых растворов замещения атомы легирующих элементов образуют симметричные искажения решетки -железа. Упрочнение происходит за счет создания локальных внутренних напряжений при замещении атомов железа атомами легирующих элементов с другими размерами. Чем больше разность атомных радиусов железа и растворенного в нем легирующего элемента, тем больше прочность феррита при всех прочих равных условиях.

Рисунок 1.6 – Зависимость предела текучести железа от содержания легирующих элементов замещения

Рисунок 1.7 – Зависимость предела текучести железа от размера зерна

Наибольшее упрочняющее действие на феррит оказывают элементы, образующие твердых растворы внедрения (С, N).

Упрочнение феррита за счет растворенных атомов внедрения на 1-2 порядка больше, чем при растворении в феррите атомов замещения. Прочность феррита сильно зависит от диаметра зерна d. Эта зависимость определяется соотношением Холла-Петча:

_Т=_i+ K_yd^–1/2,

где _i– напряжение трения или предел текучести в отсутствии сопротивления со стороны границы, т.е. предел текучести монокристалла; K_y– коэффициент, характеризующий вклад границ в упрочнение; d – диаметр зерна феррита.

В графическом выражении зависимости _Т= f (d^–1/2) (рис. 1.7)_iпредставляет собой отрезок, отсекаемый на оси ординат при d^–1/2= 0 (d =), а K_yхарактеризуется тангенсом угла наклона прямолинейной зависимости.

Значение s_т, феррита будет зависеть от твердорастворного упрочнения, плотности дислокации, наличия дисперсных частиц, а К_уот наличия примесей внедрения в твердом растворе, блокировки дислокации примесями, угла разориентировки границ. Для низкоуглеродистых сталей, феррита технической чистоты значения К_усоставляет 0,57-0,73, а для железа высокой чистоты 0,16-0,19 МПа∙м.

Таким образом, чем меньше размер зерна, тем выше должна быть прочность феррита. Эффективность зернограничного упрочнения определяется степенью измельчения зерна.

Важнейшей характеристикой стали является значение порога хладноломкости Т_хлили температуры перехода Т_приз вязкого в хрупкое состояние, характеризующее склонность стали к хрупкому разрушению.

Можно связать критическую температуру перехода из вязкого в хрупкое состояние Т_прс размером зерна d:

Т_пр= А – В∙lnd^–1/2,

где А и В – коэффициенты, мало зависящие от температуры.

Уравнение дает линейную зависимость Т_прот lnd^–1/2. Такая зависимость в настоящее время получена экспериментально для феррита многих сталей (рис. 1.8).

Таким образом, измельчение зерна не только упрочняет феррит (зернограничное упрочнение), но и понижает температуру вязко-хрупкого перехода Т_пр, т.е. повышает его сопротивление хрупкому разрушению.

Многочисленные исследования легированного феррита показывают, что собственно упрочнение феррита при легировании отрицательно сказывается на склонности его к хрупким разрушениям. Однако влияние легирующих элементов на температуру перехода индивидуально.

Рисунок 1.8 – Зависимость температуры перехода Тпржелеза от размера зерна (Петч)

На рис. 1.9 приведены данные по влиянию марганца, кремния, хрома, ванадия и никеля на порог хладноломкости железа Т₅₀. В области малых концентраций легирующих элементов замещения температура перехода несколько снижается, а при большем их содержании заметно повышается. Концентрация легирующих элементов, до которой понижается порог хладноломкости феррита для ванадия и хрома, составляет <1 %, для кремния <0,8 %, для марганца <2%; в реальных сталях эти значения будут другими. Никель в отличие от других легирующих элементов при всех концентрациях существенно понижает порог хладноломкости. Это происходит потому, что никель уменьшает блокировку дислокаций примесными атомами, т.е. увеличивает подвижность дислокаций.

Легирующий элемент, %

Рисунок 1.9 – Влияние легирующих элементов на температуру перехода Т₅₀железа