Влияние легирующих добавок на свойства сталей
Легирующие элементы по-различному взаимодействуют в стали с жёсткими растворами о и у и с углеродом.
Первая несколько охватывает элементы: Ni, Мп, Со, (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt), образующих первую подгруппу, и С, N, Си, вероятно В, (Zn, Аи, Re), образующих вторую подгруппу. Элементы, помещенные в скобки, пока еще не имеют практического 1 значения при легировании сталей.
Элементы обеих подгрупп способны растворяться в железе у и стабилизировать его. Но элементы первой подгруппы неограниченно растворимы в у-железе и сильно расширяют область его устойчивого существования.
Элементы второй подгруппы ограниченно растворимы в железе у и расширяют 1 область у намного меньше.
Вторая несколько содержит Сг и V в первой подгруппе; Al, Si, W, j Mo, Ti, Be, P (Sn, Sb, As) — во второй и Nb, Та, Zr, Се, О —в третьей подгруппе.
Элементы всех трех подгрупп второй группы способны растворяться в железе а и стабилизировать его, быстро суживая область у. Элементы двух первых подгрупп сходны тем, что образуют целые области растворов а, причем в первой подгруппе растворимость неограниченна (рис. 1,в), а во второй ограниченна (рис.
1,г). Элементы третьей подгруппы образуют несколько, а две области растворов а, отделенные друг от друга и от области у неоднородными областями у + о (рис.
1,д).
Рис. 1. Схемы двойных диаграмм состояний сплавов железа с легирующими элементами
Из сообщённого направляться, что элементы первой группы возможно назвать аустенитобразователями, а второй группы — ферритоб-разователями.
Легирование разрешает приобретать стали со свойствами и структурами, не свойственными в тех же условиях углеродистым сталям. Так, к примеру, применяя легирование такими элементами, как никель либо хром, возможно взять стали с устойчивой аусте-нитной либо ферритной структурой, владеющей новыми механическими и физическими особенностями и полезными служебными чертями, недоступными для нелегированных железоуглеродистых сплавов.
Громадное значение имеет в стали сотрудничество легирующих элементов с углеродом. ряд и Железо элементов, находящихся левее его в таблице Менделеева, образуют с углеродом карбиды Разной устойчивости, из которых одни относительно легко переходят в жёсткий раствор с железом у при термической обра-отке (1 несколько карбидов), а другие практически не растворяются в нем, кроме того при температурах нагрева, родных к линии солидус (II несколько карбидов).
К первой группе (в порядке возрастания стойкости) относятся: Fe3C, Мп3С, Сг23С6, Сг7С3 и двойные карбиды, образованные двумя металлами, Fe2Mo2C и Fe2W2C.
Все эти карбиды принимают наиболее значимое участие при упрочнении сталей и фазовых превращениях в ходе термической обработки.
При ненормально медленном охлаждении W и Мо смогут образовать практически нерастворимые карбиды второй группы Мо2С, W2C и WC, что портит сталь.
К второй группе карбидов принадлежат VC, TiC, NbC, ТаС, Та2С и ZrC. Не обращая внимания на малую растворимость в аустените, они находят известное использование при изготовлении жаростойких жаропрочных быстрорежущих сталей и сплавов.
Карбиды первой группы переходят в жёсткий раствор и выпадают из него значительно тяжелее и при намного более больших температурах по сравнению обычным цементитом, поскольку наряду с этим должны происходить сложные и медлительно текущие диффузионные процессы.
Это событие употребляется для упрочнения сталей против смягчающего действия больших температур. В следствии легированные мартенсит и аустенит покупают свойство сохранять прочность при повышенных и больших рабочих температурах за счет укрупнения коагуляции и медленного (выделения) частиц сложных карбидных фаз.
В случае если наряду с этим усложнить и состав исходного жёсткого раствора за счет введения таких элементов, как никель, кобальт и другие, то эффект упрочнения еще более возрастает.
Данный комбинированный способ легирования обширно практикуется при использовании и создании бессчётных жаропрочных сплавов.
Делать выводы о способности легирующих добавок стабилизировать аустенит, замедлять его распад и повышать свойство к переохлаждению возможно по виду С-образных диаграмм. В случае если забрать в качестве исходной С-образную диаграмму углеродистой стали i проследить, как изменяется положение конца и кривых начала аустенитного распада под влиянием разных легирующих добавок, то окажется, что, за исключением кобальта, все легирующие элементы первой группы, и кремний из второй группы, растворяясь в аустените, делают его более устойчивым при изотермической выдержке; это выражается на диаграмме в сдвиге ее вправо.
Темперамент конца распада и кривых начала аустенита наряду с этим сохраняется.
Рис. 2. Диаграмма состояний сплавов железа с никелем
Рис. 3. Обычные диаграммы состояний для элементов второй группы: а — первая подгруппа; б — вторая подгруппа
Карбидобразующие элементы (Cr, Mo, W и др.), переходя из карбидов в жёсткий раствор, кроме этого стабилизируют аустенит и сдвигают С-образную диаграмму вправо. Но темперамент Кривых наряду с этим изменяется: на них вместо одного минимума устойчивости аустенита, лежащего приблизительно при 550°, появляется два минимума, лежащих соответственно при 600 и
Это указывает, что карбидобразующие примеси содействуют обнаружению двух максимумов скорости распада аустенита: пер-вый (при 600°) соответствует преобразованию аустенита в пластинчатую смесь (сорбит), а второй (при 300°) — в игольчатую смесь (игольчатый тростит).
Неспециализированным в действии легирующих добавок первой и второй групп (не считая Со) есть сдвиг вправо кривой начала аусте-нитного распада, либо расширение на С-образной диаграмме поля устойчивости аустенита во времени, а это равноценно возможности проводить закалку на мартенсит при уменьшенных скоростях охлаждения, т. е. увеличивать прокаливаемость. Иначе говоря большинство легирующих примесей снижает критическую скорость закалки легированных сталей.
Это влияние нетрудно осознать из схемы на рис. 4.
Рис. 4. хрома и Влияние никеля на изотермический распад аустенита в сталях с 0,5% углерода
На С-образных диаграммах видно кроме этого, что с повышением степени легированности точка Мн неспешно понижается, что говорит о все большей задержке превращения аустенита в мартенсит и постоянном возрастании количества остаточного аустенита. В итоге мартенситное превращение оказывается всецело подавленным и сталь, охлажденная до простых температур, полностью сохраняет исходную аустенитную структуру.
Разные легирующие элементы по-различному смещают точку Мн.
Определяя свойство аустенита к переохлаждению, возможно классифицировать сталь по микроструктуре. Для этого ту либо иную сталь в виде маленьких образцов нагревают до заведомо аустенитного состояния, а после этого охлаждают на воздухе.
Нелегированные либо малолегированные стали испытывают наряду с этим превращение аустенита в структуру перлитного типа; стали средней легированности покупают мартенситную структуру. Стали высоколегированные сохраняют переохлажденный аустенит при комнатных температурах.
В соответствии с указанным поведением стали делятся на перлитный, мар-тенситный и аустенитный классы.
Рис. 5. Влияние легирующих элемен тов на положение начальной мартенситной точки
С трансформацией режима охлаждения либо толщины примера результаты смогут оказаться искаженными. Так, легированная сталь перлитного класса при охлаждении вместо воздуха в масле и тем более в воде может купить мартенситную структуру.
Напротив, охлаждение с больших температур сталей мартенситного и аустенитного классов более замедленное, чем на воздухе, может привести к получению структур перлитного типа.
Рис. 6. Диаграммы изотермического распада аустенита для сталей классов: а — перлитного; б — мартенситного; в — аустенитного
Соответствующим образом обязана учитываться и толщина примера, изменяющая скорость охлаждения сердцевины и могущая обусловить получение структур, не предусмотренных классификацией.
Стали, которые содержат в структуре особые карбиды, относят к карбидному классу. Помимо этого, существуют стали феррит-ного класса.
Большинство конструкционных сталей относится к перлитному классу. Для получения высоких служебных черт эти стали проходят закалку на мартенсит.
Прокаливаемость у таких сталей высокая и тем выше, чем большее количество легирующих примесей в них содержится.
Рис. 7. Влияние легирующих элементов на концентрацию углерода в перлите
Из сталей перлитного класса с успехом изготовляют относительно простые подробности, закаливаемые на мартенсит в масле.
Отпуск низкий, средний и большой снабжают получение структур соответственно кубического мартенсита, тростита и сорбита.
Мартенсит легированных сталей, отличаясь прочностью и высокой твёрдостью, имеет значительно лучшие характеристики ударной вязкости и пластичности если сравнивать с мартенситом углеродистых сталей с такой же прочностью.
Стали мартенситного класса удачно используются для тяже-лонагруженных подробностей сложной формы и достаточно массивного сечения. В этом случае сталь мартенситного класса при охлаждении на воздухе прокаливается полностью и получает мартенситную структуру без больших температурных и остаточных напряжений и связанных с ними недопустимо громадных деформаций подробности, как это не редкость с углеродистыми сталями при охлаждении в воде.
ИЗ сталей аустенитного класса, владеющих суммой особенностей, не снабжаемых сталями вторых классов, изготовляются многие подробности жаростойкого и жаропрочного назначения.
Легирование оказывает сильное влияние на критические точки простой диаграммы Fe—Fe3C как в отношении концентраций углерода, так и положения на температурной шкале.
Практически все легирующие примеси смещают эвтектоидную точку влево, т. е. уменьшают содержание углерода в перлите. Так, к примеру, 4% Ni смещают эвтектоидную точку с 0,8 до 0,7% С; 1 % W смещает ее с 0,8 до 0,55% С и т. д.
Рис. 8. Влияние легирующих элементов
