9.1 Влияние легирующих элементов на свойства фаз в сталях

Легирующие элементы, находящиеся в твердых растворах, оказывают заметное влияние на механические свойства этих фаз. Так, практически все элементы, растворяющиеся в феррите, упрочняют его. Наиболее существенно повышают прочность феррита кремний и марганец, но при этом заметно снижают пластичность, особенно кремний. Из остальных элементов наибольшее упрочняющее влияние у никеля, причем практически без снижения пластичности. Уникальность никеля, как легирующего элемента еще и в том, что он практически единственный из легирующих элементов снижает порог хладноломкости (температуру хрупко-вязкого перехода). Следует отметить, что наиболее эффективным средством, повышающим вязкость материалов, является измельчение зерна за счет термической обработки и других средств технологического воздействия.

Влияние легирующих элементов на аустенит аналогично, кроме того следует указать, что легированный аустенит, особенно марганцовистый, хорошо упрочняется под действием пластической деформации (наклепывается).

Все легирующие элементы можно разделить на две большие группы – графитизирующие и карбидообразующие. Атомы графитизирующих элементов (Ni, Si) находятся в твердом растворе, а атомы карбидообразующих элементов входят в состав карбидных фаз. При этом могут образовываться либо легированный цементит (М₃С), либо специальные карбиды (на основе хрома М₇С₃ или М₂₃С₆ или на основе Mo, W, V, Nb, Zr, Ti типа МС, М₂С, М₆С). Все карбидообразующие элементы имеют общую особенность в строении электронных оболочек атомов – недостроенный d-подуровень, причем чем сильнее он недозаполнен, тем более склонен элемент к образованию карбидных фаз. Следует отметить, что твердость специальных карбидов может быть в несколько раз выше, чем у цементита (8400 н/мм² у цементита и 29000 н/мм² у карбида титана).

1. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа

Практически все легирующие элементы, растворяясь в железе , влияют на температуры полиморфных превращений – критические точки А₃ (точка G диаграммы состояния) и А₄ (точка N). При этом изменяется вид диаграммы состояния, характер процессов при термической обработке, а значит структура и свойства сталей (рис. 9.1).

Одна группа элементов повышает точку А₄ и понижает точку А₃ , расширяя тем самым аустенитную область (рис 9.1,а). Наиболее характерными элементами этой группы являются Ni и Mn. При определенном количестве этих добавок сталь может иметь устойчивую аустенитную структуру и при комнатной температуре (стали аустенитного класса).

Другая группа элементов действует в противоположную сторону – снижает точку А₄ и повышает точку А₃, расширяя таким образом ферритную область (рис 9.1, б). Наиболее характерные элементы этой группы – Cr, Si, Mо, W. Легирование этими элементами может привести к тому, что в сталях при нагревах и охлаждениях не будет происходить фазовых превращений, и во всем температурном интервале устойчивой фазой будет являться феррит (стали ферритного класса).

Следует обратить внимание на то, что взаимодействие элементов разных групп неаддитивно, например хром в комплексе с никелем не сужает, а расширяет аустенитную область.