Микроструктурный анализ легированных сталей

Цель работы: изучить микроструктуры легированных сталей; установить взаимосвязь между структурой сплава и его свойствами.

Введение

Легированными сталями называются стали, содержащие в своем составе, кроме железа и углерода, специально введенные элементы, которые способны изменить ее строение, а следовательно, и свойства. Для легирования стали наиболее часто применяют хром, никель, марганец, кремний, вольфрам, ванадий, молибден, титан и др.

Все элементы, которые растворяются в железе, влияют на температурный интервал существования его аллотропических (полиморфных) модификаций, т. е. сдвигают точки А₃иА₄по температурной шкале.

К первой группе легирующих элементов, которые повышают точку А₄и снижают точкуА₃, расширяя тем самым область существования-модификации железа (рис. 1, а) и сужая область существования-модификации относят: Mn, Ni,Со, Pt.

Ко второй группе элементов, которые понижают А₄и повышаютА₃, сужая область существования-модификации железа и расширяя область существования-модификации,относятся:Cr, W, Mo, V, Si, Al, Ti,Be,Sn,Sb(рис. 1, б)

Легирующие элементыNiиMn, смещают линииPSK, GSиSEдиаграммы Fe–Fe₃Cв сторону более низких температур, а элементы

Рисунок 1 – Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа

Cr, Mo, W, V, Si, Ti смещают эти же линии в сторону более высоких температур.

Легирующие элементы оказывают значительное влияние на эвтектоидную концентрацию углерода (точка Sдиаграммы состоянияFe–Fe₃C) и предельную растворимость углерода в-железе (точкаЕ). Такие элементы, какNi,Co,Si,W,Mo,Cr,Mn, сдвигают точкиSиЕвлево,в сторону меньшего содержания углерода, аV,Ti,Nbнаоборот – смещают их вправо, т.е. повышают концентрацию углерода в эвтектоиде. Например, при содержании в стали 5 %Cr, концентрация углерода в эвтектоиде (точкаS) снижается с 0,81 % до 0,5 %, а предельная растворимость углерода в аустените (точкаE) – с 2,14 % до 1,3 %. При 10 %Cr– точкеSбудет соответствовать 0,250,3 % С, а точкеЕ– 0,1 % С.

Характеристика фазовых составляющих легированных сталей

В промышленных легированных сталях, которые являются многокомпонентными системами, легирующие элементы могут находиться:

а) в форме раствора в железе;

б) в карбидной фазе – в виде раствора в цементите или в виде самостоятельных соединений с углеродом – специальных карбидов;

в) в форме интерметаллических соединений с железом или между собой.

Таким образом, легирующие элементы преимущественно растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррит, аустенит, цементит) или образуют специальные карбиды.

Легированный феррит– твердый раствор легирующих элементов в-железе (ОЦК – решетка). Легированный феррит отличается от обычного феррита тем, что в нем атомы железа в кристаллической решетке объемно-центрированного куба частично замещены атомами легирующего элемента, что приводит к искажению решетки и как следствие, к изменению свойств – повышению прочности, твердости и снижению пластичности феррита (рис. 2). По микроструктуре легированный феррит ничем не отличается от обычного феррита, т.е. представляет собой однородные зерна с четкими очертаниями межфазовых границ.

Легированный аустенит– твердый раствор легирующих элементов в решетке-железа (ГЦК – решетка), он может устойчиво существовать при высоких температурах, а в высоколегированных сталях даже при комнатной температуре. Легированный аустенит характеризуется повышенной прочностью при нормальных и повышенных температурах, обладает низким пределом текучести при сравнительно высоком пределе прочности, он – парамагнитен. Аустенит легко наклепывается, т. е. сильно упрочняется под действием холодной пластической деформации. В микроструктуре легированных сталей аустенит представляет собой светлые однородные зерна с видимыми очертаниями границ, иногда с наличием линий сдвига или двойников.

а б

а) твердость, б) ударная вязкость

Рисунок 2 – Влияние легирующих элементов на свойства

феррита

Легированный цементит– твердый раствор легирующих элементов в цементите железа. Легированный цементит отличается от цементита железа тем, что в нем атомы железа в октаэдрической решетке цементита частично замещены атомами легирующего элемента, например,Mn,Cr,WиMo(при малом их содержании в стали). Пример: (Fe,Mn)₃C, (Fe,Cr)₃C.

Легированный цементит более тверд и дисперсен, чем нелегированный. При рассмотрении под микроскопом после обычного стандартного травления он ничем не отличается от цементита железа.

Карбидная фаза в легированных сталях. По отношению к углероду все легирующие элементы подразделяют на две группы:

I. Графитизирующие элементы: Si, Ni, Cu, Аl (находятся в твердом растворе).

II. Карбидообразующие элементы. Их можно расположить по возрастающей степени сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз, следующим образом:

Fe  Mn Cr  Mo  W  Nb  V  Zr  Ti.

Специальные карбиды – соединение легирующих элементов с углеродом. Карбиды, образующиеся в легированных сталях, можно разделить на две группы.

К первой группе относятся карбиды типа М₃С, М₇С₃, М₂₃С₆ и М₆С (М₄С), имеющие сложные кристаллические решетки. Карбиды типа М₃С, М₂₃С₆ сравнительно легко растворяются в решетке аустенита при нагреве, а остальные относятся к труднорастворимым. Специальные карбиды всех легирующих элементов содержат в своем составе железо, а при наличии нескольких карбидообразующих элементов – и эти элементы. Примеры карбидов: Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, Fe₃W₃C, Fe₃Mo₃C, (Fe, Mn)₃C, (Fe, Cr)₃C, (Cr, Fe)₇C, (Cr, Mn, Fe)₂₃C₆ и др.

Ко второй группе относятся карбиды типа МС, M₂C (фазы внедрения): VC, TiC, NbC, TaC, WC, W₂C, Mo₂C, имеющие простую кристаллическую решетку и труднорастворимые в аустените при нагреве. Для растворения таких карбидов, как TiC, NbC сталь необходимо нагреть до очень высоких температур, примерно 1300 ⁰С.

Твердость специальных карбидов обычно выше твердости цементита (800 – 900HV). По микроструктуре они слабо отличаются от цементита, а для выявления вида этих карбидов применяют специальные реактивы и методы травления. Специальные карбиды обычно более дисперсны, чем цементит. Некоторые из них имеют специфическую внешнюю форму, например, карбид титана имеет форму кубиков.

Интерметаллические соединения.При высоком содержании легирующие элементы образуют с железом или друг с другом интерметаллические соединения. Примеры соединений:Fe₇Mo₆,Fe₇W₆,Fe₃Nb₂,Fe₃Ti,Fe₃CrMo,Ni₃Ti, Ni₃Al, Co₂Tiи др.