Влияние легирующих элементов на свойства стали

1. Основной структурной составляющей конструкционных сталей является феррит (до 90 %). Поэтому легирующие элементы должны в первую очередь упрочнять феррит. (Цементит в упрочнении не нуждается.) Максимальное упрочнение феррита создают кремний, марганец и никель (см. рис. 94, а). Эти элементы не образуют собственных карбидов, поэтому содержатся только в твердом растворе. Кремний к тому же растворяется по типу внедрения, что дает особенно эффективное упрочнение.

На пластичность легирующие элементы почти не влияют, но снижают ударную вязкость при добавлении их более 1 % (рис. 94, б). Отсюда следует, что легирование должно быть рациональным: добавлять нужно минимально необходимое количество каждого элемента, причем предпочтительно использовать комплекс легирующих элементов, а не какой-то один.

а б

Рис. 94. Влияние легирующих элементов на механические свойства стали:

а – на твердость в отожженном состоянии; б – на ударную вязкость

2. Легирующие элементы повышают критические температуры стали, поэтому температурные интервалы термообработки для легированных сталей выше, чем для углеродистых сталей.

3. Легирующие элементы снижают критическую скорость охлаждения при закалке стали. Для распада аустенита углеродистой стали нужна диффузия углерода. Маленькие атомы углерода перемещаются в кристаллической решетке железа легко. А для распада аустенита легированной стали должна пройти диффузия легирующих элементов. Их атомы по размеру сравнимы с атомами железа, и диффузия идет медленнее. Переохлажденный аустенит оказывается устойчивее (рис. 95).

а б в г

Рис. 95. Диаграммы изотермического распада аустенита:

а – углеродистая сталь (закалка в воде); б – низколегированная сталь (закалка в масле);

в – высоколегированная сталь (закалка на воздухе);

г – легированная Ni или Mn сталь (не закаливается)

Соотношение критических скоростей закалки сталей на рис. 95:

V_кр3 << V_кр2 << V_кр1.

Сталь с диаграммой, показанной на рис. 95, г, – аустенитного класса, точка M_н < 0 °С.

Поэтому легированные стали можно закаливать с меньшей скоростью охлаждения, в более мягких средах. Это уменьшает деформацию изделий и опасность образования трещин.

4. Снижая критическую скорость охлаждения, легирующие элементы увеличивают прокаливаемость стали, особенно при комплексном легировании. Есть стали, которые прокаливаются в любом сечении. Поэтому для крупных ответственных деталей и для мелких деталей сложной формы применяют только легированные стали.

5. Легирующие элементы измельчают зерно стали. Это способствует увеличению прочности, пластичности, ударной вязкости, снижает порог хладноломкости. Десятые доли процента ванадия, титана, ниобия, циркония особенно сильно измельчают зерно, так как образуют трудно растворимые в аустените карбиды.

6. Легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита к отпуску. После отпуска при одинаковой температуре легированные стали будут прочнее (легирующие элементы упрочняют феррит и образуют более мелкие карбидные частицы, чем цементит).

7. Легирующие элементы придают сталям особые физические и химические свойства: коррозионную стойкость, высокую упругость, износостойкость, способность не окисляться при нагреве, особые магнитные свойства и т. п.