Взаимодействие железа с легирующими элементами в углеродистых сталях

В легированные стали вводится различное количество легирующих элементов (ЛЭ). По их содержанию стали подразделяют на три группы:1) низколегированные(до 2,5% ЛЭ); 2) среднелегированные (2,5–10% ЛЭ); 3) высоколегированные (свыше 10% ЛЭ, причем содержание одного из ЛЭ не менее 8%). Название стали обычно определяется названием основных легирующих элементов: хромистая, марганцевая, хромоникелевая сталь и т.д.

Взаимодействие железа с ЛЭ определяется двумя важными обстоятельствами.

1. Как переходный металл железо образует со своими ближайшими соседями Сг, V, Ni, Co, Mn, Jr, Pt системы с неограниченной растворимостью в твердом состоянии.

Со многими другими элементами железо образует ограниченные твердые растворы и металлидные фазы.

2. Наличие двух полиморфных превращений приводит к большому разнообразию возможных диаграмм состояния «железо–ЛЭ». В основу классификации ЛЭ положено их влияние на положение точек полиморфных превращений и устойчивость фаз – феррита и аустенита. С этих позиций все элементы разделены на две группы: ферритостабилизаторы и аустенитостабилизаторы.

Ферритостабилизаторы повышают устойчивость α- и β-феррита. Это изоморфные ферриту элементы Сг, V, W, Mo, Ti, а также Al, Si, Be, Ge, As, Sn, Sb. Аустенитостабилизаторы оказывают противоположное влияние, расширяя область устойчивости аустенита к более низкой температуре. К. ним относятся изоморфные аустениту элементы Ni, Co, Mn, Сu, Ag, а также углерод и азот. Характер влияния элементов на устойчивость фаз зависит от электронного строения их атомов.

Большинство легирующих элементов (переходных металлов) имеют высокое сродство к углероду и азоту; они образуют различные карбидные, а также карбонитридные фазы и называются карбидообразующими элементами. По возрастанию карбидообразующей способности элементы можно расположить в такой последовательности: Al, Co, Ni, Fe, Mn, Сг, Mo, W, V, Nb, Ti. Элементы, расположенные левее железа, в сплавах Fe–С карбидов не образуют. Остальные элементы могут образовывать либо комплексные карбиды – легированный цементит (FeMe)₃C, либо самостоятельные специальные карбиды типа Ме_хС_у и карбонитриды. В литых конструкционных сталях упрочнение специальными карбидами не играет серьезной роли, но в некоторых жаропрочных сталях специальные карбиды являются главными упрочнителями.

При высоких концентрациях легирующих элементов (свыше 10–15%) в сталях могут образовываться интерметаллиды – химические соединения металлов, что повышает твердость и снижает пластичность.

Влияние легирующих элементов на механические свойства стали определяется их взаимодействием сжелезом и сплавами системы Fe–С. Растворное упрочнении феррита зависит от различия размеров и электронного строения атомов железа и легирующего элемента.

Слабыми упрочнителями феррита являются металлы с ОЦК-решеткой, образующие с α-Fe неограниченные твердые растворы (Сг и V). Сильнее упрочняют феррит металлы с ГЦК-решеткой (Ni, Co) или ограниченно растворимые в железе металлы с ОЦК-решеткой (W, Mo, Nb, Ti). Наиболее сильное упрочнение дают элементы, имеющие сложную кристаллическую решетку (Mn, Si) или значительно отличающиеся от железа электронным строением атомов (Al, Be, P).

Растворное упрочнение ограниченно используется в сталях перлитного класса (в основном введением небольших добавок Si, Mn, Сг и Ni). Более широко оно применяется в аустенитных и ферритных сталях, где основой структуры является твердый раствор.

Основной способ упрочнения конструкционных легированных сталей – это термическая обработка. Использование легированных сталей без термической обработки нецелесообразно, так как не удается полностью реализовать положительное влияние легирующих элементов. Типичная термическая обработка конструкционных легированных сталей заключается в закалке с последующим низким, средним или высоким отпуском. При этом можно получить различную структуру – мартенсит, троостит или сорбит, обеспечивающую желаемый комплекс свойств. Мартенсит обеспечивает повышенную твердость и прочность при резком снижении пластичности, сорбит – меньшую прочность, но хорошие пластические свойства.

Маркировка легированных сталей производится системой букв и цифр. Число в начале маркировки указывает содержание углерода в сотых долях процента, последующие буквы обозначают легирующие элементы. Многие элементы обозначают по первой букве русского названия: А – азот, С – кремний (силициум), Ф – ванадий, В – вольфрам, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, X – хром, Ц – цирконий, а также по букве, содержащейся в названии элемента: Б – ниобий, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, Р – бор, Ю – алюминий. Буква Л в конце маркировки обозначает литейную сталь. Число, стоящее за буквой, указывает содержание элемента в процентах. Если число опущено, то концентрация элемента <1%.