Влияние легирования на структуру и свойства сталей

Легирующие элементы вводятся в стали для улучшения их меха­нических свойств. Путем легирования добиваются повышения прочности, вязкости, прокаливаемости, снижения порога хладноломкости, получают коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные стали.

Чаше всего легирующие элементы образуют с железом твердые растворы. Карбидообразующие легирующие элементы могут также за­мещать атомы железа в решетке цементита, т.е. образовывать леги­рованный цементит или самостоятельные специальные карбиды. В оп­ределенных условиях легирующие элементы могут образовывать с же­лезом или между собой интерметаллические соединения.

Легирующие элементы существенно влияют на температуру поли­морфных превращений и область существования - и -железа.

Элементы, снижающие температуру точки А₃ и повышающие температуру точки А₄, называют -стабилизаторами. К этой группе относятся никель, марганец, а также хром в сочетании с никелем (Cr+Ni). В результате легирования расширяется область существования -фазы. При определенных степенях легирования в равновесии могут быть получены ферритно-аустенитная и даже полностью аустенитная структуры.

Легирующие элементы, снижающие температуру критической точки А₄ и повышающие температуру критической точки А₃, называют

-стабилизаторами (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др.). При определенных степенях легирования могут быть получены ферритные стали, в которых превращения -фазы в -фазу не наблюдается вплоть до температуры плавления.

Легирующие элементы, растворенные в феррите, повышают его предел прочности, не изменяя существенно относительного удлине­ния, за исключением марганца и кремния, при содержании их бо­лее 2,5...3%. Легирующие элементы при введении их в сталь в ко­личестве больше 1…2% снижают ударную вязкость. Исключение со­ставляет никель, который, упрочняя феррит, одновременно увели­чивает его ударную вязкость и снижает порог хладноломкости. Этим объясняются высокие вязкие свойства сталей, легированных никелем. Однако надо иметь в виду, что повышенное содержание никеля стабилизирует -фазу и ухудшает или полностью исклю­чает закаливаемость сталей.

Легирующие элементы, растворяясь в -железе, повышают прочность аустенита при нормальной и высоких температурах. Аустенит обладает низким пределом текучести при сравнительно высо­ком пределе прочности, легко упрочняется путем наклепа, но не упрочняется путем закалки. Он парамагнитен.

Особенности закалки и отпуска легированных сталей по сравнению с углеродистыми

Нагревание легированных сталей протекает медленнее, макси­мальная температура выбирается выше, время выдержки при этой температуре больше. Это объясняется тем, что карбидообразущие легирующие элементы задерживают процесс аустенизации, так как легированный цементит и специальные карбиды распадаются при более высоких температурах и труднее растворяются в аустените. Соответственно требуется больше времени для гомогенизации аустенита. Легирующие элементы неравномерно распределены между ферри­том и карбидами, а следовательно, и в аустените содержание леги­рующих элементов по объему будет не одинаково. Процесс выравнивания состава аустенита по содержанию легирующих элементов требует боль­шего времени, так как диффузионная подвижность легирующих эле­ментов в решетке -фазы значительно меньше (вакансионный ме­ханизм диффузии), чем углерода.

Закалка легированных сталей может выполняться с меньшими скоростями охлаждения (в масле, иногда на воздухе). Это объясня­ется тем, что большинство легирующих элементов сдвигают вправо диаграмму изотермического распада аустенита и таким образом уменьшают критическую скорость закалки. Для уменьшения остаточ­ных напряжений, коробления и трещинообразования в сталях при закалке рекомендуется выбирать скорость охлаждения возможно меньшей, но не менее критической.

Структура легированных сталей в результате закалки с охлаж­дением до комнатной температуры состоит чаще всего из мартенсита и остаточного аустенита. Это объясняется тем, что легирующие элементы снижают, как правило, температуру начала и конца мартенситного превращения. Для большинства легированных сталей темпе­ратура конца мартенситного превращения становится ниже комнатной, и поэтому при охлаждении сталей в процессе закалки до комнатной температуры мартенситное превращение не протекает до конца, при этом структура сталей состоит из мартенсита и остаточного аустенита. В таком случае упрочняющий эффект закалки легированных сталей при одинаковом с углеродистыми сталями содержании углерода может быть меньше. Для перевода остаточного аустенита в мартенсит час­то после закалки проводится обработка сталей холодом. Для этого закаленные стальные детали помещают в холодильную камеру и выдер­живают в течение нескольких часов при температуре 60...70°С. В результате обработки холодом стали дополнительно упрочняются, но эта операция чаще всего проводится для очень точных деталей в целях стабилизации размеров.

Особенности отпуска легированных сталей. Карбидообразующие легирующие элементы W, Mo, Cr, V, Ti и другие замедляют процессы коагуляции карбидов при отпуске. Поэтому пос­ле отпуска при одинаковой с углеродистыми сталями температуре сталь, легированная этими элементами, сохраняет более высокую дисперсность карбидных частиц и соответственно большую проч­ность. При достаточно высоких температурах отпуска становится возможной диффузия легирующих элементов, которая приводит к то­му, что карбидообразующие элементы диффундируют из феррита в цементит и образуют специальные карбиды, а некарбидообразующие элементы (Ni, Cо, Si) диффундируют из цементита в феррит. В процессе отпуска возможно и непосредственное образование спе­циальных карбидов, вызывающих эффект дисперсионного твердения. Кроме указанных явлений надо учитывать то, что при отпуске не­которых легированных сталей в интервалах температур 250...400 и 500...550°С снижается их ударная вязкость. Явление это назы­вается отпускной хрупкостью. Иногда ее удается избежать, если охлаждение от температуры отпуска (500…550°С) проводить быстро (например в воде).