Влияние легирующих элементов на свойства стали и сплавов

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мп и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15...20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.

По применимости для легирования можно выделить три группы элементов:

1)Mn,Si,Cr,B;

2)Ni,Mo;

3) V, Ti, Nb, W, Zr и др.

Применимость для легирования различных элементов определяется не столько физическими, сколько, в основном, экономическими соображениями.

В табл.1 показано влияние наиболее применяемых легирующих элементов на свойства стали.

Легирующие элементы по механизму их воздействия на свойства сталей и сплавов можно разделить на три группы:

1) влияние на полиморфные (a-Fe �> g-Fe) превращения;

2) образование с углеродом карбидов (Сг,Fе)₇С₃; (Сг,Ре)₂₃С₆; Мо₂С и др.;

3) образование интерметаллидов (интерметаллических соединений) с железом -Fе₇Мо₆; Fe₃Nb и др.

Таблица 1

Влияние легирующих элементов на свойства стали

 По характеру влияние на полиморфные превращения легирующие элементы можно разделить на две группы:

� элементы (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др.), достаточное содержание которых обеспечивает существование в сталях при всех температурах легированного феррита (ферритные ставы);

� элементы (Ni, Mn и др.), стабилизирующие при достаточной концентрации легированный аустенит при всех температурах (аустенитные сплавы). Сплавы, только частично претерпевающие превращение g�>a, называются, соответственно, полуаустенитными или полуферритными.

Легирование феррита сопровождается его упрочнением. Наиболее значительно влияют на его прочность марганец и хром. Причем чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность. Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно увеличивает вязкость стали. Однако все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости. Никель понижает порог хладноломкости.

Легированный аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Легирующие элементы, в том числе азот и углерод, растворимость которого в аустените при нормальной температуре достигает 1%, повышают его прочность при нор�мальной и высокой температурах, уменьшают предел текучести. Легированный аустенит является основной составляющей (матрицей) многих коррозионностойких, жаропрочных и немагнитных сплавов. Он легко наклепывается, то есть быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации.

Легирующие элементы (исключение кобальт), повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для многих аустенитных сплавов критическая скорость закалки снижается до 20�С/с и ниже, что имеет большое практическое значение. Карбидообразующие элементы: Fe - Mn - Cr - Mo - W - Nb - V - Zr - Ti (расположены по возрастающей степени сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз) - при малом их содержании растворяются в цементите, замещая в нем атомы железа. Состав карбида в этом случае может быть выражен формулой (Fe, M)_mC_n, где М - символ суммы легирующих элементов, a m, n - коэффициенты, определяемые химической формулой карбида. При повышении содержания карбидообразующих элементов могут образовываться самостоятель�ные карбиды.

Выделение из твердого раствора карбидов МС, M₂C нередко вызывает повышение твердости - дисперсионное упрочнение. Карбидообразующие элементы (за исключением марганца) препятствуют росту зерна аустенита при нагреве, а также замедляют процесс коагуляции дисперсных частиц, поэтому сталь, легированная этими элементами, при одинаковой температуре сохраняет более высокую дисперсность карбидных частиц, и соответственно большую прочность.

Интерметаллиды образуются при высоком содержании легирующих элементов между этими элементами или с железом. Примером таких соединений могут служить Fe₇Mo₆, Fe₃Nb₂ и др. Интерметаллиды, как правило, отличают повышенные твердость и хрупкость.