Распределение легирующих элементов в стали

Легирующие элементы (Л.Э.) в стали могут находиться:

- в твердом растворе – феррите или аустените;

- карбидной фазе;

- в виде интерметаллидов (химических соединений металла с металлом);

- в свободном состоянии;

- в виде оксидов, сульфидов и других неметаллических включений.

Растворение ЛЭ в железе приводит к искажению решетки. При этом прочность феррита (аустенита) повышается, а пластичность и вязкость (при содержании ЛЭ > 1%) падает. ЛЭ способствуют повышению порога хладноломкости, что увеличивает склонность стали к хрупкому разрушению. Исключение – никель. Он повышает прочность, не снижая пластичности, и интенсивно снижает порог хладноломкости, делая сталь более вязкой. Отсюда, никель – очень ценный ЛЭ для конструкционной стали, когда она работает в условиях знакопеременных и ударных нагрузок, а также в условиях Севера или в холодильных машинах.

Металлы по отношению к углероду делятся на 2 группы: карбидообразующие и некарбидообразующие; сродство к углероду зависит от заполненности d – полосы атома металла электронами; только ЛЭ, у которых d – полоса заполнена меньше, чем у Fe, являются в стали карбидообразующими, т.к. активнее, чем Fe, соединяются с углеродом. Можно составить следующий ряд:

Кабидообразующие Некарбидообразующие

Zr, Ta, Nb, Ti, V, W, Mo, Cr, Mn Fe Co, Ni, Cu, Zn, Pb, Al, Si

←

Образующиеся в стали карбиды можно разделить на 2 группы: карбиды, отнесенные в 1 группу, имеют сложную кристаллическую структуру и легко при нагреве растворяются в аустените. Их формулы М₃С; М₂₃С₆; М₇С₃ и М₆С, где М – один или несколько металлов, например, (Fe, Mn)₃С – легированный цементит (Fe₃C); (Cr, Mn, Fe)₂₃C₆ – легированный карбид хрома (Cr₂₃C₆).

Карбиды II группы имеют формулы МС и М₂С, простую кристаллическую решетку и при нагреве (даже очень высоком) могут не переходить в твердый раствор. Карбиды II группы образуют сильные карбидообразующие элементы: ZrC, TaC, NbC, TiC, VC, Mo₂C.

Некоторые металлы (W, Mo) могут образовывать карбиды обеих групп.

Все карбиды очень твердые, причем карбиды II группы тверже карбидов первой группы, и очень хрупкие. Карбиды придают стали износоустойчивость, но снижают пластичность и вязкость. Все карбидообразующие элементы в той или иной степени растворяются в железе, делая сталь более прочной.

Интерметаллические соединения ЛЭ с железом или между собой образуются только в высоколегированных специальных сталях. Интерметаллиды, подобно карбидам, очень твердые и хрупкие, поэтому делают сталь более твердой, но менее пластичной.

В свободном состоянии в стали можно встретить только один легирующий элемент – свинец, который не растворяется и не образует химических соединений. Свинец добавляют в автоматные стали для улучшения обрабатываемости резанием, почти не ухудшая механических свойств.

Многие ЛЭ более активно, чем железо, соединяются с кислородом, серой и др. вредными примесями, при этом сталь раскисляется, обессеривается и т.д. Но такое использование ЛЭ, особенно дорогих, нерационально, поэтому легируют обычно стали качественные или высококачественные, которые очищены от вредных примесей.