Вплив легуючих елементів на властивості сталі

Механічні властивості легованих сталей значно вищі ніж вуглецевих. Легуючі елементи підвищують межу плинності, відносне звуження та ударну в’язкість. Це пояснюється тим, що леговані сталі мають менші критичні швидкості гартування і відповідно, кращу прогартовуваність. Після термічної обробки леговані сталі мають більш дрібне зерно і більш дисперсніші структури, вони гартуються з меншими швидкостями, тому у деталей будуть менші деформації і менша безпека утворення тріщин.

Прогартовуваність сталей підвищують марганець, хром, бор і такі дорогі елементи як нікель і молібден. Найбільша прогартовуваність досягається при комплексному легуванні. Необхідно відмітити, що концентрація легуючих елементів у сталі строго регламентована, тобто, при певній концентрації досягається максимальна прогартовуваність, і при подальшому підвищенні вмісту легуючих елементів вона може зменшитись, і при цьому знижуються і механічні властивості. Тому у легованих сталях вміст легуючих елементів повинен бути мінімальним, таким що забезпечує необхідну для даного перетину і умов охолодження наскрізної прогартовуваності.

Нікель, який вводиться у сталь, підвищує опір крихкому руйнуванню, збільшує пластичність та в’язкість, зменшує чутливість до концентраторів напружень і знижує температуру порогу холодноламкості. Введення 3-4 % нікелю забезпечує глибоку прогартовуваність. Нікель − дорогий метал, тому у конструкційні сталі він вводиться разом з хромом та іншими елементами, причому у мінімальних кількостях.

Легування сталей невеликими кількостями ( до 0,05-0,15 % ) ванадію, титану, ніобію та цирконію, які утворюють важкорозчинні у аустеніті карбіди, подрібнюють зерно, знижують поріг холодноламкості, підвищують роботу розповсюдження тріщини, зменшують чутливість до концентраторів напружень.

Легуючі елементи підвищують стійкість мартенситу до відпуску і стримують коагуляцію карбідів.

Молібден і вольфрам усувають розвиток оберненої відпускної крихкості, що дуже важливо для крупно габаритних деталей. Молібден і вольфрам у поєднанні з нікелем понижують прогартовуваність і стійкість до мартенситу відпуску.

Кремній підвищує стійкість мартенситу проти розпаду, підвищує в’язкість сталей і забезпечує понижену чутливість до надрізу.

Класи легованих сталей

У відповідності з діаграмою стану залізо-цементит у відпаленому стані сталі відносять до евтектоїдних, евтектоїдних та заевтектоїдних.

По структурі:

• перлітні;

• феритні;

• аустенітні;

• мартенситні;

• ледебуритні.

По вмісту вуглецю: конструкційні, інструментальні.

Конструкційні − автоматні; будівельні; сталі, що цементуються; сталі, що поліпшуються; високоміцні; пружинно-ресорні; підшипникові; зносостійкі та ін..

Карбідна фаза у легованих сталях

По відношенню до вуглецю легуючі елементи ділять на 2 групи:

1. Графітизуючі − Si, Ni, Cu, Al (знаходяться у твердому розчині)

2. Карбідоутворюючі − Fe → Mn → Cr → Mo → W → Nb → V → Zr → Ti (розташовані по зростаючому ступеню спорідненості до вуглецю і стійкості карбідних фаз).

При малому вмісті Mn, Cr, Mo і W вони розчиняються у цементиті, заміщають у ньому атоми заліза і утворюють легований цементит (Fe, Me)₃C. Mn може заміщувати у гратці цементиту всі атоми заліза, Cr − до 25 %, Mo − до 3 %, W − 0,8-1,0 %.

Більш сильні карбідоутворюючі елементи Ti, V, Nb, Zr практично не розчиняються у цементиті і утворюють самостійні карбіди.

При підвищенні кількості у сталі Cr, W та Mo та в залежності від вмісту вуглецю, вони можуть утворювати спеціальні карбіди (CrFe)₇С₃, (CrFe)₂₃С₆, складні карбіди.

Є такі позначення карбідів:

Me₃C − карбіди цементитного типу;

Me₇C₃, Me₂₃C₆ − карбіди, що мають кристалічну гратку карбідів хрому;

Me₆C, Me₄C − карбіди, у яких кристалічна гратка типу карбідів W чи Mo;

MeC − карбіди, по типу кубічної гранецентрованої гратки.

Всі карбіди можна розділити на 2 групи.:

До першої групи відносяться карбіди типу Me₃C, Me₇C₃, Me₂₃C₆, Me₆C (Me₄C), що мають складну кристалічну гратку. Карбіди цієї групи порівняно легко розчиняються в аустеніті при нагріванні.

До другої групи відносяться карбіди типу MeC − WC, VC, TiC, NbC, ZrC. Ці карбіди відносяться до фаз проникнення. На відміну від карбідів першої групи, фази проникнення в реальних умовах нагрівання сталей майже не розчиняються в аустеніті.