Глава 4 ЛЕГИРОВАНИЕ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ И ИХ СВАРИВАЕМОСТЬ

Назад: 3.3 Диаграммы состояния металлических сплавов.

4.1 Легирующие элементы и их влияние на превращения и свойства фаз

Легирующие элементы вводятся в железоуглеродистые сплавы для улучшения механических или придания им специальных характеристик. К ним относятся С, Cr, Mo, Ni, Ti, V, Al и др., а также Si и Mn, если их содержание превышает обычное для углеродистой стали. Их влияние основано на изменении механических свойств фаз, присутствующих в железоуглеродистых сплавах (феррита, аустенита, перлита и цементита), температуры начала и конца полиморфных превращений, эвтектоидной и эвтектических реакций, растворимости углерода в аустените и его содержании в перлите и т.п.

Как известно [3,4], химические элементы, за исключением C, N и H₂ образуют с железом твердые растворы замещения. Если кристаллическая решетка легирующего элемента является ГЦК (подобная Feg), то он растворяется в аустените и расширяет температурную область его устойчивого состояния (см. ч.1, гл.3.3, рис. 3.8). Такие элементы называются аустенизаторами. К ним в двойных системах относятся Ni, Mn, а в малых количествах C, N, Cu. В тройных системах Cr также стабилизирует аустенит.

При повышенной концентрации указанных легирующих температура А_С3 понижается вплоть до комнатной температуры, а температура Ас₄ приближается к линии солидуса. Такие сплавы, не испытывают фазовых превращений Легирующий элемент в этом случае называют аустенизатором, а сплав аустенитным. Сплавы, частично претерпевающие превращения, называют полуаустенитными.

Легирующие элементы, имеющие кристаллическую решетку ОЦК, подобную a-железу, стабилизируют феррит и их называют ферритизаторами (Cr, Mo, V, W и др.). Они понижают температуру Ас₄ и повышают температуру Ас₃, что сужает аустенитную область и расширяет область устойчивого существования ферритной фазы. При повышенном содержании таких легирующих сплавы при всех температурах состоят из твердого раствора легирующего в a-железе, т.е. в виде феррита. Такие сплавы называют ферритными, а сами элементы – ферритизаторами.

Изменяя структуру, легирующие изменяют свойства железоуглеродистого сплава (прочность, пластичность, ударную вязкость и т.д.).

По характеру взаимодействия с углеродом все легирующие элементы делятся на графитизирующие (Si, Al, Cu) и карбидообразующие (Fe, Mn, Cr, Mo, W, Nb, Zr, Ti). При малых концентрациях карбидообразующих, например, Mn, Cr, Mo, они растворяются в цементите Fe₃C, образуя легированный цементит (FeCr)₃C. При больших концентрациях – образуются карбиды, способные растворять в себе железо, например карбид (CrFe)₇C₃.

Все карбиды делятся на две группы: карбиды со сложными кристаллическими решетками Me₃C, Me₇C₃, Me₂₃C₆, Me₆C, легко растворяющиеся при нагреве в аустените, и карбиды типа MeC с простыми кубическими решетками (VC, TiC, NbC), почти не растворяющиеся в аустените при нагреве. Карбиды любого типа являются упрочняющими и часто охрупчивающими фазами. Если концентрация легирующих в стали очень велика, то они образуют с железом или друг с другом химические соединения, так называемые интерметаллидные фазы, например Fe₇Mo₆, Fe₃Ti, FeV, FeCr (s-фаза) и т.д. Некоторые из них благоприятно влияют на упрочнение стали (при их выделении в процессе старения), а многие охрупчивают сталь (например, s-фаза FeCr).

В связи с указанным и, исходя из формирующейся структуры при равновесном охлаждении (например, с печью), стали, делятся на 6 классов: перлитный, ферритный, полуферритный, аустенитный, полуаустенитный и карбидный.

Если же исходить из структуры, получаемой после ускоренного охлаждения на воздухе стальных образцов, нагретых до 900 ⁰С (нормализация), то стали можно разделить на следующие классы: перлитный, бейнитный, мартенситный, ферритный, аустенитный и карбидный.

Далее: 4.2 Фазовые превращения в железоуглеродистых сплавах.