Влияние легирующих элементов на структуру и механические свойства сталей

Полиморфные состояния железа при образовании твердых растворов введением легирующих элементов смещаются по температуре. Все легирующие элементы по влиянию на полиморфные состояния железа можно разделить на две группы (рис. 1):

- расширяющие область гамма-железа (или легированного аустенита);

- сужающие область гамма-железа.

Рис. 1. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа.

К первой группе относятся никель, марганец, кобальт, медь. Точка А₃ железа с увеличением содержания этих элементов снижается, расширяя область существования γ-Fe на диаграмме железо-легирующий элемент. Такое состояние сплава может существовать от температуры плавления до весьма низких отрицательных температур. Такие стали называются аустенитными. Примером может служить износостойкая сталь 110Г13Л, содержащая 13 % марганца.

Ко второй группе относятся кремний, хром, вольфрам, молибден, алюминий, ванадий, титан. Точка А₃ железа с увеличением содержания этих элементов повышается, расширяя область α-Fe и сужая область γ-Fe. Область α-Fe легированного феррита также может существовать от температуры плавления до весьма низких отрицательных температур. Такие стали называются ферритными. Примером может служить жаростойкая сталь Х25.

Свойства феррита существенно изменяются при введении легирующих элементов. Причиной изменения свойств является размерное несоответствие атомов легирующих элементов и железа, приводящее к искажению кристаллической решетки железа, возникновению внутренних напряжений и торможению движения дислокаций. Прочность и твердость феррита возрастает, а ударная вязкость снижается (рис. 2). Исключением является хром (до 3 %) и никель, с введением которых ударная вязкость возрастает.

Рис. 2. Влияние легирующих элементов на свойства феррита:

а – твердость; б – ударная вязкость

Кроме того, добавки никеля до 6 % снижают температурный порог хладноломкости железа до – 200 ⁰С. Поэтому детали механизмов и машин, работающих при низких температурах, изготавливаются из сталей с добавками никеля. Остальные элементы существенно повышают температурный порог хладноломкости, что ухудшает надежность работы деталей при низких температурах из-за увеличения вероятности их разрушения.

Важнейшими точками диаграммы, позволяющими классифицировать железоуглеродистые стали, являются точки S и E. Большинство легирующих элементов сдвигают эти точки в сторону меньшего содержания углерода, что означает смещение границ для сталей и чугунов. Например, при введении 5 % хрома доэвтектоидные стали содержат до 0,6 % углерода, эвтектоидные – 0,6 %, заэвтектоидные – от 0,6 до 1,5 %. Свыше 1,5 % углерода – в структуре стали появляется ледебурит. Поэтому такие стали названы ледебуритными. Эти стали, обладая высокой износостойкостью, используются для изготовления холодных штампов. Аналогичные закономерности наблюдаются у сталей с добавками вольфрама и молибдена, которые используются для изготовления быстрорежущего инструмента.

Кроме того, в легированных сталях совместное влияние углерода и легирующих элементов на точки А₁, А₃, А_m весьма сложное. Поэтому температура этих точек для каждой стали определяется экспериментально. Знание этих точек необходимо для назначения режимов термической обработки, например, для сравнения (из марочника сталей):

- сталь 45 имеет А_с1 = 730 ⁰С, а А_с3 = 755 ⁰С;

- сталь 45Х имеет А_с1 = 735 ⁰С, а А_с3 = 770 ⁰С;

- сталь 45ХН имеет А_с1 = 750 ⁰С, а А_с3 = 790 ⁰С;

- сталь 45ХН2МФА имеет А_с1 = 735 ⁰С, а А_с3 = 825 ⁰С.

Легирующие элементы существенно влияют на поведение переохлажденного аустенита. Влияние легирующего элемента на изотермический распад аустенита, а также на его распад при непрерывном охлаждении выражается в увеличении устойчивости переохлажденного аустенита. С-образные области (диффузионные и частично диффузионные превращения) на изотермических и термокинетических диаграммах сдвигаются вправо по оси времени, что обусловлено меньшей диффузионной подвижностью атомов легирующих элементов (кроме кобальта) по сравнению с атомами углерода (рис. 3). Причем, при введении некарбидообразующих элементов (никель, марганец, кремний) форма С-образной области остается такой же, как и у углеродистой стали. Введение же карбидообразующих элементов (хром, вольфрам, молибден) изменяет вид С-образной области – выделяются области диффузионного и частично диффузионного превращений и между этими областями аустенит может иметь аномально высокую устойчивость.

Рис. 3. Диаграммы изотермического распада аустенита: а – углеродистая (1, область А_п →Ф + Ц) и легированная не карбидообразующими элементами (2, область А_п →Ф + К) стали; б – углеродистая (1) и легированная карбидообразующими элементами (2, область А_п →Ф + К) стали

В целом увеличение устойчивости переохлажденного аустенита повышает прокаливаемость легированных сталей. Введение отдельных элементов, например, бора 0,001 – 0,005 % может увеличить прокаливаемость в десятки раз.