Легирующие элементы в конструкционных сталях

Основными легирующими элементами конструкционных сталей являются хром, никель, кремний и марганец. Вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и другие легирующие элементы вводят в сталь в сочетании с хромом, никелем и марганцем для дополнительного улучшения свойств.

Легированные стали обладают лучшими механическими свойствами после термической обработки (закалки и отпуска), которые сравнительно мало отличаются от механических свойств углеродистой стали в изделиях малых сечений. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15 – 20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем угле­родистых. Особенно сильно повышаются 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 и более дисперсные структуры. Из-за большей прокаливаемости и меньшей критической скорости закалки замена углеродистой стали легированной позволяет производить закалку деталей в менее резких охладителях (масле, воздухе), что уменьшает деформацию изделий и опасность образования трещин. Легированные стали применяют поэтому не только для крупных изделий, но и для изделий небольшого сечения, имеющих сложную форму. Чем выше в стали концентрация легирующих элементов, тем выше ее прокаливаемость.

Для достижения высокой прокаливаемости сталь чаще легируют более дешевыми элементами – марганцем, хромом и бором, а также более доро­гими - никелем и молибденом. Однако следует иметь в виду, что по до­стижении необходимой для данного сечения прокаливаемости дальнейшее увеличение в стали легирующих элементов может не улучшить, а, напро­тив, ухудшить механические, технологические (обработку резанием, свари­ваемость и т.д.) свойства стали. При этом повышается порог хладнолом­кости и уменьшается запас вязкости. Например, увеличение содержания в стали хрома или марганца до 1,0% практически не влияет на порог хлад­ноломкости. Однако при больших их концентрациях порог хладноломко­сти повышается. В связи с этим содержание легирующих элементов дол­жно быть минимальным, обеспечивающим необходимую для данного сечения и условий охлаждения сквозную прокаливаемость.

Исключение составляют никель и молибден. Никель повышает сопро­тивление хрупкому разрушению стали, увеличивая пластичность и вяз­кость, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений и пони­жает температуру порога хладноломкости. В сложнолегированных сталях ни­кель также обеспечивает высокое сопротивление хрупкому разрушению.

После одинаковой температуры отпуска легированная сталь будет иметь более высокую прочность (твердость), но несколько меньшую пла­стичность и вязкость, чем углеродистая сталь. Легирующие элементы су­щественно повышают прочность стали после улучшения, упрочняя ферритную основу (в том числе и за счет сохранения большей плотности дефектов строения) и увеличивая дисперсность карбидных частиц. Наибо­лее сильно упрочняют сталь Сr, Мо и Si