Влияние легирования на структуру стали

Легированием называется внесение в состав сплава специальных легирующих элементов с целью улучшения свойств материала.

По назначению легированные стали классифицируются в соответствии с улучшенными свойствами: коррозионостойкие (нержавеющие - в основном хромистые), антифрикционные (износостойкие), жаростойкие (окалиностойкие), быстрорежущие (с вольфрамом), жаропрочные, магнитотвердые, хромоникелевые ( высокопрочные) и т.д.

Часть легирующих элементов (Si, Mn, Ni и др.) растворяются в феррите. Получающиеся при этом легированные стали перлитного класса в отожженном состоянии обладают несколько большей твердостью, чем углеродистые. Все легирующие элементы, особенно Mn, Si, Ni, повышают твердость и прочность феррита тем в большей степени, чем больше растворенный в нем элемент искажает решетку -Fe.

Другая часть легирующих элементов (V, Cr, W, Mo, Ti) могут вступать в химические соединения с углеродом. При высоком содержании карбидообразующих элементов, характерном для инструментальных сталей карбидного (ледебуритного) класса (например, быстрорежущие стали Р9, Р18 и др.), образуются карбиды, относящиеся к фазам внедрения (типа Мо₃С). Такие стали обладают очень высокой твердостью, так как частицы этих фаз затрудняют движение дислокаций.

Изменение количественного состава легирующих элементов, вводимых в сталь, а также введение одновременно нескольких компонентов приводит к появлению новых свойств. Общий объем легирующих добавок в конструкционных сталях обычно не превышает 5-6 %.

У легированных сталей достигается большая прочность при сохранении или улучшении пластичности: при относительном удлинении при разрыве 50%:

углеродистая сталь имеет прочность _{в =} 600-800 Мпа;

сталь, легированная одним элементом - 850 МПа;

сталь, легированная двумя элементами - 950 МПа;

сталь, легированная тремя элементами - 1100 МПа;

Влияние легирующих элементов на структурные превращения и критические температуры при термообработке

Легирующие элементы оказывают определенное влияние на положение критической точки А_с в диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов:

Ni, Mn, Zn - понижают температуру А_с;

Cr,Si, V, W, Mo, Ti и др. - повышают температуру А_с;

Температура нагрева под закалку легированных сталей поэтому несколько отличается от температуры закалки соответствующих по содержанию углерода углеродистых сталей и берется, как правило, равной А_с + (30-50С).

Для сталей карбидного (ледебуритного) класса необходимы высокие температуры нагрева для возможно более полного растворения вторичных карбидов и получения высоколегированного аустенита (например, для быстрорежущей стали необходим нагрев до температуры 1220-1290С).

Введение в сталь легирующих элементов увеличивает ( за исключением Со ) устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и бейнитного превращения (рис.1).

а - с небольшим количеством Mn (1-2%) или Ni (1-5%);

b - низко- и среднелегированные конструкционные стали с Cr и Mo;

c - высоколегированные инструментальные стали (0,6-0,9% C), содержащие Cr, W, V (штриховой линией показаны диаграммы для углеродистой стали)

Повышение устойчивости переохлажденного аустенита уменьшает критическую скорость закалки (V_кр) для легированных сталей по сравнению с углеродистыми (рис.5).

Например: при введении 1,0% Cr в сталь с 1,0% C критическая скорость закалки уменьшается в 2 раза;

при введении 0,4% Mo в сталь с 1,0% C критическая скорость закалки снижается c 200/с до 50 /с. сильно снижают критическую скорость - Mn, Ni; в меньшей степени - W;

Для многих легированных сталей критическая скорость закалки снижается до 20-30 /с и ниже, что обеспечивает получение мартенситной структуры при охлаждении в масле и на воздухе.

Более медленное охлаждение при закалке создает меньшие внутренние напряжения, что является повышающим конструктивную прочность фактором.

Растворенные в аустените легирующие элементы обычно понижают температуру начала мартенситного превращения М и температуру конца мартенситного превращения М аустенита в легированных сталях:

Легирующий элемент в количестве 1,0% снижает М_н :

Mn - на 45С; Cr - на 35С; Ni - на 26С; Mo - на 25С; W - на 30С.

Легирующий элемент в количестве 1,0% наоборот повышает М_н :

Co - на 12С; Al - на 18С.

Рис.5. Влияние легирования на устойчивость аустенита и критическую скорость закалки