Структура и свойства легированного феррита

Феррит – одна из основных фаз во многих сталях. В конструкционных сталях его доля составляет 95 %, поэтому значение свойств легированного феррита позволит правильно оценить общий уровень свойств сталей.

Легированный феррит представляет собой многокомпонентный твердый раствор по типу замещения и внедрения легирующих элементов и примесей в a–железе. Дислокационные теории упрочнения твердых растворов при легировании не дают для сплавов железа совпадения расчетов с экспериментом.

Эмпирически установлено, что количественная оценка упрочнения железа при легировании возможна на основе аддитивного вклада упрочняющего влияния отдельных ле­гирующих элементов на свойства a–твердого раствора же­леза. Так, при одновременном легировании a–феррита ато­мами нескольких легирующих элементов их влияние на упрочнение может быть просуммировано.

Необходимо отметить, что при оценке упрочнения фер­рита по приведенной формуле следует брать концентрацию легирующего элемента, растворенного в феррите, а не со­держание этого элемента в стали.

На рис. 1.4 представлено влияние концентраций элемен­тов замещения на свойства железа высокой чистоты. Эти данные показывают, что в области малых концентраций наибольшее упрочняющее влияние оказывает фосфор, тог­да как хром, находящийся в феррите, в наименьшей степени упрочняет железо. Прочность феррита сильно зависит от диаметра зерна.

Значение s_т, феррита будет зависеть от твердорастворного упрочнения, плотности дислокации, наличия дисперс­ных частиц, а К_у от наличия примесей внедрения в твердом растворе, блокировки дислокации примесями, угла разориентировки границ. Для низкоуглеродистых сталей, фер­рита технической чистоты значения К_у составляет 0,57–0,73, а для железа высокой чистоты 0,16–0,19 МПа/м.

Таким образом, чем меньше размер зерна, тем выше должна быть прочность феррита. Эффективность зернограничного упрочнения определяется степенью измельчения зерна.

Важнейшей характеристикой стали является значение порога хладноломкости Т_хл или температуры перехода Т_пр из вязкого в хрупкое состояние, характеризующее склон­ность стали к хрупкому разрушению.

Измельчение зерна положительно сказывает­ся не только на склонности к хрупким разрушениям, но оно одновременно приводит к упрочнению.

Многочисленные исследования легированного феррита показывают, что собственно упрочнение феррита при леги­ровании отрицательно сказывается на склонности его к хрупким разрушениям. Однако влияние легирующих эле­ментов на температуру перехода индивидуально.

На рис. 1.6 приведены данные по влиянию марганца, кремния, хрома, ванадия и никеля на порог хладноломкости железа Т₅₀. В области малых концентраций легирую­щих элементов замещения температура перехода несколько снижается, а при большем их содержании заметно повы­шается. Никель в отличие от других легирующих элементов при всех концентрациях существенно понижает порог хлад­ноломкости. Концентрация легирующих элементов, до которой понижается порог хладноломкости феррита для вана­дия и хрома, составляет < 1 %, для кремния < 0,8 %, для марганца < 2 %; в реальных сталях эти значения будут другими.

Легирующий элемент, %

Рисунок 1.6 – Влияние легирующих элементов на тем­пературу перехода Т₅₀ железа