Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали.

Основной целью легирования конструкционных сталей является создание необходимой прокаливаемости, мелкозернистости, возможности закалки в масле, сохранения твердости при отпуске и других удобств термической обработки.

Основными легирующими элементами конструкционных сталей являются Cr в количестве до 1,8% (чаще 0,8-1,1%), Ni (0,5-4,5%), Si (0,5-1,2%) и Mn (0,8-1,8%). W, V, Ti, B и другие элементы не применяют в качестве самостоятельных присадок, а вводят в сталь в сочетании с Cr, Ni и Mn для дополнительного улучшения свойств. Обычно в конструкционных сталях содержится 0,15-0,45% Мо; 0,5-1,2% W; 0,1-0,3% V; 0,06-0,12% Ti; 0,002-0,005%В. Большинство конструкционных сталей относятся к перлитному классу, а в равновесном состоянии к группе доэвтектоидных.

Легированные стали обладают лучшими механическими свойствами после термической обработки (закалки и отпуска), они сравнительно мало отличаются от механических свойств углеродистой стали в изделиях малых сечений.

В изделиях крупных сечений (d>15-20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем углеродистых. Особенно сильно повышается предел текучести, относительное сужение и ударная вязкость. Это объясняется тем, что легированные стали обладают меньшей критической скоростью закалки, а, следовательно, лучшей прокаливаемостью. Кроме того, после термической обработки они имеют более мелкое зерно.

Из-за большей прокаливаемости и меньшей υ_кр закалки, замена углеродистой стали легированной позволяет производить закалку деталей в менее резких охладителях (масло, воздух), что уменьшает деформацию изделий. Поэтому из легированных сталей изготавливают детали сложной формы. По мере увеличения концентрации легированных элементов, прокаливаемость стали увеличивается.

Однако, следует отметить, что чрезмерное повышение количества легирующих элементов может повысить порог хладноломкости и уменьшить запас вязкости. Ухудшается и технологичность стали (обработка резанием, свариваемость и т.д.).

Исключение составляет Ni и Mo. Ni повышает сопротивление хрупкому разрушению, пластичность и вязкость, уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений и температуру хладноломкости.

При содержании в стали1% Ni порог хладноломкости снижается на 60-80⁰С. Дальнейшее увеличение концентрации Ni до 3% вызывает менее сильное, но все же снижение порога хладноломкости.

Для обеспечения глубокой прокаливаемости рекомендуется введение 3-4% Ni. Ni уменьшает анизотропию и повышает пластичность и вязкость в направлении, поперечном волокну.

Из-за высокой стоимости, Ni чаще всего вводят совместно с Cr и другими элементами и причем в минимальном количестве. В сложнолегированных сталях Ni также обеспечивает высокое сопротивление хрупкому разрушению.

Легирование стали небольшими количествами (до 0,1-0,15%) V, Ti, Nb и Zr, образующими труднорастворимые в аустените карбиды, измельчает зерно, что понижает порог хладноломкости, повышает работу распространения трещины и уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений. При большом содержании этих элементов сопротивление стали хрупкому разрушению уменьшается.

Легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита отпуска и задерживают коагуляцию карбидов. Поэтому для получения требуемой прочности и твердости легированные стали подвергают отпуску при более высокой температуре, чем углеродистые. Это позволяет не только полностью снять закалочные напряжения, но и получить в стали лучшее сочетание прочности и вязкости.

После отпуска при одной и той же температуре легированная сталь будет более твердой и менее пластичной. Легированные элементы значительно повышают прочность стали после улучшения [термическая обработка, состоящая из закалки на мартенсит и последующего отпуска на сорбит], упрочняя ферритную основу и увеличивая дисперсность карбидных частиц.

Наиболее сильно упрочняют сталь Cr, Mo, Si. Поэтому легированная сталь и в отожженном (нормализованном) состоянии более прочна, но менее пластична, чем углеродистая сталь.

Для подавления обратимой отпускной хрупкости сталь легируют Mo или W. Это особенно важно для крупных изделий, в которых даже при охлаждении в воде от температур отпуска нельзя устранить эту хрупкость. Кроме того, W и Mo повышают прокаливаемость стали, способствуют образованию мелкозернистой структуры.

Мо значительно улучшает механические свойства стали после цементации, повышая твердость и прокаливаемость цементованного слоя.

Стали, содержащие Si, после изотермической закалки обеспечивают высокую вязкость. Это объясняется тем, что в процессе промежуточного превращения возрастает количество высокоуглеродистого остаточного аустенита и повышается вязкость бейнита за счет уменьшения в a - фазе углерода.