Взаимодействие легирующих элементов с железом и углеродом.

По взаимодействию с железом, легирующие элементы делятся на три группы:

1. Слабое взаимодействие с железом. Такие легирующие элементы либо вообще не взаимодействуют с железом, либо образуют твердые растворы очень малых концентраций. Например, Pb, S. Такие легирующие элементы располагаются, как правило, по границам зерен, ухудшая тем самым связь между ними. В результате прочностные свойства падают, но улучшается обрабатываемость резанием (автоматная сталь).

2. Твердые растворы замещения (образуют металлы) и внедрения (неметаллы - B, N).Растворяясь вместе с углеродом в железе, легирующие элементы образуют легированный феррит, насыщенность которого не превышает максимальную растворимость соответствующего элемента в железе. Легированный феррит имеет более высокую прочность и твердость, но с увеличением легированности (более 1-1,5 % каждого элемента, за исключением никеля) уменьшаются вязкость и пластичность (рис.4.1.).

Рисунок 4.1. Влияние легирующих элементов на механические свой­ства феррита отожженных сталей: а – прочность; б – пластичность; в – вязкость

3. Образование интерметаллидов. При образовании легирующими элементами химических соединений с железом, образуются интерметаллидные фазы: FeCr, FeAl. Это приводит к резкому увеличению прочности и твердости, но одновременно снижает вязкость и пластичность.

По взаимодействию с углеродом, легирующие элементы делятся на две группы:

1.Карбидообразующие. Металлы, расположенные в таблице Менделеева левее железа (кремний,хром, молибден, вольфрам, ниобий, ванадий, титан), активно взаимодействуют с углеродом, т.е. являются карбидообразующими элементами (чем дальше от железа, тем активнее).

В небольшом количестве эти эле­менты образуют в стали легированный цементит типа (FeM)₃C, мало отличающийся от Fe₃С и хорошо растворяющийся в аустените.

При большом содержании образуются карбиды ти­па М₇С₃ (хром в низко - и среднелегированных сталях), М₂₃С₆ (хром в высоколегированных сталях), МС (хром в присут­ствии молибдена и вольфрама). Эти три вида карбидов бо­лее трудно растворяются ваустените. Почти нерастворимыми в аустените являются фазы внедрения типа МС (молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, титан) и М₂С (вольфрам, молибден), для растворения которых необходим нагрев почти до 1300 °С.

Легирующие элементы влияют на положение критических точек в сталях и основных линий на диаграмме Fe-C. Введение карбидообразующих элементов повышает точки А₁ и А₃, т.к. карбиды легирующих элементов более устойчивы и растворяются в железе при более высоких температурах, чем обычный цементит. Поэтому введение легирующих элементов, образующих карбиды, вызывает необходимость повышения температур отжига и закалки.

Введение карбидообразующих элементов смещает влево точки S и E на диаграмме Fe - C, поэтому, чем больше легирующих элементов, тем меньше содержание углерода в перлите. Смещение точки Е влево может приводить к тому, что при содержании углерода 1,3-1,5% в структуре могут наблюдаться выделения эвтектики – ледебурита. В обычных углеродистых сплавах ледебурит присутствует только в чугуне.

Карбиды относятся к фазам внедрения, поэтому их появление в сталях вызывает резкое увеличение прочности и твердости, с одновременным снижением вязкости и пластичности.

2. Некарбидообразующие: Ni, Al, Cu, Mn. Всегда находятся в стали в твердом растворе, а кобальт является нейтральным элементомпо отношению к углероду.

Легирующие элементы оказывают существенное влияние на температурный интервал существования аустенита и феррита, смещая на диаграмме состояния Fe – Fе₃C критические точки А_з вниз, А₄ вверх: Мn, Со, Сu, Ni (рис.2.17,а); A₃ вверх, А₄ вниз: Cr, Mo, W, V, Si, Al, Ti. (рис.2.17,б).

В первом слу­чае расширяется область существования аустенита, причем при легировании никелем или марганцем более 6 % образуются стали аустенитного класса (в классификациикакв отожженном, так и в нормализо­ванной состояниях).

Во втором случае расширя­ется область существования феррита. При легировании хромом и ванадием более «с» % образуется класс ферритных сталей. Стали, содержащие менее «b» % легирующих элементов, относятся к полуаустенитному классу, а менее«с» % – полуферритному класcу (в отожженом состоянии).

а б

Рис.2.17. Влияние легирующих элементов на температурный интервал существования аустенита и феррита: а – расширение аустенитной области; б – расширение ферритной области

Многие легирующие элементы значительно увеличивают прокаливаемость стали(рис.2.18), т.е. способность стали получать в процессе закалки мартенситную структуру на определенную глубину.

Рис. 2.18. Влияние легирующих элементов на глубину закалки стали

Прокаливаемость стали определяют методом торцовой закалки, для чего цилиндрический образец после нагрева охлаждается с торца на специальной установке и измеряется твердость по длине (высоте) образца. Определив расстояние от торца образца до участка с твердостью, соответствующей полумартенситной зоне, по номограммам определяется критический диаметр D_к , мм.

Наиболее активными являются молибден, хром, кремний, никель, особенно заметно увеличивает бор глубину закалки (прокаливаемость более 120 мм).

Но повышение количества бора более 0,005 % ухудшает прокаливаемость. Молибден в количестве 0,2 % обеспечивает эффект увеличения прокаливаемости стали аналогично действию 0,005 % бора.

Легирующие элементы изменяют температуру начала мартенситного превращения, что приводит к увеличению или уменьшению количества остаточного аустенита после закалки (рис.2.19).

Рис 2.19.Влияние легирующих элементов на:

а – температуру начала мартенситного превращения;

б – количество остаточного аустенита

Никель, марганец, медь и др. элементы особенно заметно снижают температуру мартенситного превращения, что увеличивает количество остаточного аустенита после закалки.

Большинство легирующих элементов изменяют температуру эвтектоидного превращения и концентра­цию углерода в эвтектоиде (перлите) и в аустените в сто­рону увеличения (V, Ti, Nb) или в сторону уменьшения (Ni, Co, Si, W, Cr, Mn) (рис.2.20). Например, при содержании хрома в количестве 10 % точка S, соответствующая содержанию углерода в эвтектоиде (0,8 % С), смещается до 0,4-0,3 % углерода, точка Е – до 1,0 % С (с 2,14 % С).

B случае увеличения содержания Ti и V образуется до 30-35 % первичных карбидов, представляющих в литом состоянииэвтектику типа ледебурита. Такие стали относятся к ледебуритному классу в отожжен­ном состоянииили к карбидному в нормализованном состоянии.

К перлитному классу относятсясталис доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной структурой (в отожженном состо­янии) и сорбитной или трооститной (в нормализованной состоянии). Стали с мартенситной структурой после нормализации относятся к мартенситному классу.

Рис 2.20. Влияние легирующих элементов на:

а – температуру эвтектоидного превращения;

б – количество углерода в эвтектоидной стали

Стали высоколегированные (типа быстрорежущих – Р18) в литом состоянии содержат эвтектику (ледебурит), которая после ковки и отжига дробится на отдельные зёрна. После термообработки эти стали обладают хорошими режущими свойствами и используются для изготовления режущего инструмента.