36. Влияние легирующих элементов на полиморфное превращение железа. Фазы в легированной стали.

Влияние легирующих элементов на полиморфное превращение железа

В се элементы, которые растворяются в железе влияют на температурный интервал существования его аллотропических модификаций, т.е. сдвигают точки А₃ и А₄ по температурной шкале. Такие легирующие элементы, как Niи Mn, снижают по мере увеличения элементов температуру А­₃, и повышают критическую температуру А₄. И таким образом расширяют область существования γ-фаз. При содержании легирующих элементов больше концентрации точки а, γ-фаза существует от комнатной температуры до температуры плавления. Такие сплавы с железом называются аустенитными. Такие элементы, как Si, Cr, W, Mo, Vсужают γ-область по мере их увеличения до концентрации в точкеb. При этом А­₄ – уменьшается, А₃ – увеличивается.При содержании легирующих элементов больше точки b, структура будет состоять из α-фазы железа от комнатнойтемпературы до температуры плавления. Такие сплавы называются ферритными.

Фазы в легированных сталях

Могут находиться следующие фазы:

1. В свободном состоянии.

Pb, Ag, Cuне образуют соединений с железом, кроме того Pbи Agне растворимы в твёрдом железе. Растворимость Cu– около 1%. Поэтому они будут находиться в стали в свободном состоянии в виде металлических включений. Такое легирование встречается редко. Например, используется свинец для автоматных сталей для улучшения обрабатываемости.

2. В форме интерметаллических соединениях с железом и между собой.

Могут образовывать большинство применяемых легирующих элементов, однако эти соединения образуются при больших содержаниях легирующих элементов, т.е. в высоколегированных сталях и сплавах.

3. В виде оксидов, сульфидов и других неметаллических соединений (включениями).

Оксиды и другие неметаллические соединения образуют многие элементы, имеющие бОльшее сродство кислороду, чем железо. Эти элементы вводятся для раскисления стали, и отнимают кислород у железа: , где М – любой элемент – раскислитель. В результате раскисления образуются оксиды: Al₂O₃? TiO₂, W₂O₅, и так далее. Кроме сродства к кислороду некоторые элементы имеют большее сродство к сере, чем железо, и при их введении образуются сульфиды.

4. В карбидной фазе – в виде раствора в цементите или в виде самостоятельных соединений с углеродом (специальных карбидов).

Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu
Zr	Nb	Mo	Te
Hf	Ta	W	Re

Растворятся в цементите или образовывать самостоятельные карбидные фазы могут многие элементы, имеющие сродство к углероду. Карбидообразующими элементами являются лишь элементы, расположенные левее железа в периодической системе элементов.

5. В форме растворов в железе.

Растворяться в железе в значительных количествах может большинство легирующих элементов, кроме C, Ni, O_{2, ­}B, удалённых в периодической системе от железа. Элементы, расположенные левее железа, распределяются между железом и карбидами. Элементы правее железа, образуют только растворы с железом и не образуют карбидов.

Таким образом легирующие элементы преимущественно растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррит, аустенит, цементит), или образуют специальные карбиды – карбиды, образованные с участием карбидообразующих элементов и имеющие отличную от цементита формулу и кристаллическую решётку.

Фазы, которые образуются с введением легирующих элементов

Легированный феррит – многокомпонентный твёрдый раствор внедрения и замещения. Все легирующие элементы, растворяющиеся в феррите, изменяют параметры решётки феррита в тем большей степени, чем больше различаются атомные размеры железа и легирующих элементов. Изменение размеров α решётки вызывает изменение свойств феррита. Атомы легирующих элементов создают в решётке напряжение. Отсюда: прочность повышается, пластичность уменьшается. Например, Cr, Mo, Wупрочняют феррит меньше, чем Ni, Si, Mn. Mo, W, Mnи Siснижают вязкость феррита. Хром уменьшает вязкость значительно слабее всех из перечисленных. Никель не снижает вязкости феррита. Важное значение имеет влияние легирующих элементов на порог хладноломкости. Хром повышает порог хладноломкости, а никель снижает. Никель является особенно ценным, так как упрочняет феррит и не снижает его вязкость.

Хладноломкость – потеря пластичности с понижением температуры. Характеризует склонность стали к хрупкому разрушению при -50° .. +70°С. Порог хладноломкости –интервал температур перехода от вязкого разрушения к хрупкому. В верхнем интервале излом полностью вязкий, а в нижнем – полностью хрупкий. Красноломкость – при температуре красного каления.

Легированный аустенит – твёрдый раствор легирующих элементов в γ-железе. В железо-углеродистых сплавах аустенит является стабильной фазой выше точки А₃. В легированных сталях благодаря влиянию легирующих элементов аустенитная структура может быть при комнатной температуре. Эксплуатационные свойства аустенитных сталей определяются в зависимости от того, какой основной аустенит образующий элемент находится в составе. Аустенит, полученный в результате легирования марганцем, будет обладать способностью упрочняться в процессе эксплуатации при воздействии ударных нагрузок. Аустенит, полученный при легировании никелем обладает особыми свойствами – коррозионная стойкость, жаропрочность и так далее.

Карбидная фаза в легированных сталях: по степени сродства легирующих элементов к углероду, по сравнению со сродством к нему железа, различают карбидообразующие и не карбидообразующие элементы. К карбидообразующим элементам относят переходные металлы с недостроенной d оболочкой. Чем больше электронов на оболочке, тем больше сродство углероду. В процессе карбид образования углерод отдаёт свои валентные электроны на заполнение dоболочки атома металла, тогда как у металла валентные электроны образуют металлическую связь, обуславливающую металлические свойства карбидов.

Условия карбид образования в сталях: только элементы с dоболочкой, заполненной меньше, чем у железа, являются карбидообразующими. Активность их как карбид образователей тем сильнее, и устойчивость карбид образующихся фаз тем больше, чем менее достроена dоболочка у металлического атома.

В сталях карбидообразующими являются элементы:(в порядке возрастания свойств) Fe, Mn, Cr, Mo, W, V, Nb, Ti. Не карбидообразующие: Cu, Ni, Co, Si, Al. В сталях могут образовываться следующие карбидные соединения:

1. Типичные химические соединения, которые имеют сложную кристаллическую решётку и при нагреве растворяются в аустените: Fe₃C, (Fe,Cr)₃C, Cr₇C₃, Cr₂₃C₆, (Fe,Mn)₃C, Fe₃Mo₃C, Fe₃W₃C.

2. Элементы: Mo, W, V, Nb, Tiобразуют с С фазы внедрения. При этом чаще всего карбиды имеют формулу: Имеют простую кристаллическую решётку. Отличаются очень высокой тугоплавкостью и практически не растворимы в аустените. Все карбиды обладают высокой твёрдостью и высокой температурой плавления. В чистом виде перечисленные карбиды не существуют