Легированные стали. Основные легирующие элементы в сталях, их влияние на структуру и свойства. Промышленные стали. Их назначение, требуемые свойства, термическая обработка.

Появление и широкое распространение легированных сталей обусловлено непрерывным ростом требований, предъявляемых к материалам.

Легированными называют стали, содержащие в своем составе кроме обычных примесей специально вводимые элементы, в количестве, обеспечивающем требуемые физические и механические свойства. Эти элементы называются легирующими.

Для легирования стали применяют хром (Cr), никель (Ni), марганец (Mn), кремний (Si), вольфрам (W), молибден (Mo), ванадий (V), кобальт (Co), титан (Ti), алюминий (Al), медь (Cu) и другие элементы. Марганец считается легирующим компонентом лишь при содержании его в стали более 1 %, а кремний – при содержании более 0,8 %. Легирующие элементы либо распределяются между фазами, существующими в обычной углеродистой стали (феррит и цементит) и, таким образом, изменяют их состав и свойства, либо образуют новые фазы, характерные только для легированных сталей

( интерметаллидные соединения, специальные карбиды и т. д.).

Легирующие элементы изменяют критические точки стали и оказывают существенное влияние на кинетику фазовых превращений, протекающих в стали при термической обработке.

По характеру влияния на критические температуры полиморфного превращения железа легирующие элементы разделяются на две группы. К первой группе относятся Ni, Mn, N, Cu и другие элементы, расширяющие область существования γ - твердого раствора (рис.1а). Эти элементы с Feα и Feγ образуют твердые растворы замещения (легированный феррит и легированный аустенит), повышают точку А₄ и понижают точку А_3. При содержании некоторых элементов этой группы выше n (рис.1а) критическая точка превращения γ-α находится ниже комнатной температуры. Такие сплавы даже при медленном охлаждении приобретают структуру γ - твердого раствора (легированного аустенита).

а) б)

Содержание легирующего элемента, %

а)Ni, Mn, Cu, Co, N, C и др. б) Cr, Si, W, Mo, V, Al и др.

Рис.1. Влияние легирующих элементов на критические точки железа (схема).

Ко второй группе относятся Cr, Si, W, Mo, V и другие элементы, ограничивающие область существования γ -твердого раствора (рис.1б). Эти элементы понижают точку А₄ и повышают точку А₃. При содержании элемента этой группы в количествах, превышающих m (рис.1б), сплавы при всех температурах вплоть до температуры плавления имеют строение α -твердого раствора (легированного феррита).

Легирующие элементы оказывают существенное влияние на положение критических точек S и E диаграммы Fe-Fe₃C. Большинство элементов(Ni, Si, Co, Cr, W, Mn) сдвигает их влево, т.е. в сторону уменьшения содержания углерода. Сильные карбидообразующие элементы (V, Ti, Nb), наоборот, повышают содержание углерода в эвтектоиде, т.е. сдвигают точку S вправо.

Все легирующие элементы, кроме алюминия и кобальта, увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита (сдвигают С-образные кривые вправо) и, следовательно, уменьшают критическую скорость закалки. Поэтому закалка изделий из легированных сталей производится при относительно невысоких скоростях охлаждения (в масле или даже на воздухе).

Легирующие элементы за исключением алюминия, кобальта и кремния снижают температуру начала мартенситного превращения и тем самым способствуют увеличению количества остаточного аустенита в закаленной стали.

По отношению к углероду легирующие элементы также разделяются на две группы:

- элементы, не образующие в сталях карбидов (Ni, Si, Co, Cu, Al);

- элементы, образующие карбиды (Mn, Cr, W, Mo, V, Ti, Nb и др.).

- элементы первой группы полностью растворяются в твердом растворе (феррите, аустените). Элементы второй группы частично растворяются в твердом растворе и частично идут на образование карбидов.

Карбидообразующие элементы обладают большим, чем железо, сродством к углероду. По возрастанию сродства к углероду, а следовательно устойчивости карбидных фаз, карбидообразующие элементы располагаются в следующий ряд: Fe-Mn-Cr-Mo-W-V-Nb-Zr-Ti. Чем устойчивее карбид, тем труднее он растворяется в аустените и выделяется при отпуске.

При введении в сталь в сравнительно небольшом количестве легирующий карбидообразующий элемент сначала растворяется в цементите, замещая часть атомов железа; при этом образуется легированный цементит, например (FeMn)₃C. С увеличением содержания легирующего элемента сверх предела растворимости образуются специальные карбиды типа Сr₇С₃, Mn₃C и др.

По строению кристаллической решетки различают карбиды двух типов. К карбидам первой группы относятся Fe₃C, Mn₃C, Сr₇С_3, Cr₂₃C₆. Такие карбиды недостаточно прочны и при нагреве в процессе термической обработки стали распадаются с образованием твердого раствора легирующих элементов в аустените.

Карбиды второй группы Mo₂C, WC, TiC имеют простые кристаллические решетки. Они характеризуются большей прочностью и распадаются при более высоких температурах нагрева. Все карбиды обладают высокой твердостью, но твердость карбидов второй группы несколько выше твердости карбидов первой группы.

С повышением дисперсности карбидов растет твердость и прочность стали.