Тема 8 Легированные стали

ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ – это химические вещества, которые добавляют в сталь при выплавке для изменения ее структуры и свойств. В состав стали также входят технологические примеси, добавленные при выплавке и раскислении стали, и случайные примеси, которые содержались в железной руде или металлоломе.

ЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ - это сталь, в состав которой добавлены легирующие элементы.

Влияние легирующих элементов на диаграмму Fe - c.

Легирующие элементы в стали изменяют вид диаграммы Fe - C. Некоторые химические элементы (Ni, Mn, Cu, Со, C и N) расширяют на диаграмме область аустенита. В этом случае линии А₃, А₁ и А_cm на диаграмме Fe - C опустятся вниз, и при достаточно большом содержании указанных элементов (одного из них или в сумме) аустенит может быть устойчив при 20*С и более низких температурах.

Все остальные химические элементы (это Cr, Mo,W, Si, Al, Ti, Nb и другие) расширяют область феррита. Область аустенита в этом случае становится меньше, и при достаточно большом содержании указанных элементов феррит можно нагреть до температуры линии солидус без полиморфного превращения.

Mo и W при их большом содержании уменьшают максимальную растворимость углерода в аустените с 2,14% до менее1%, в стали может образоваться при отжиге структура ледебурита.

Если содержание легирующих элементов не велико или если их действие на диаграмму взаимно компенсируется, то вид диаграммы Fe - C практически не изменяется.

Кристаллическое строение легированных сталей.

Легирующие элементы в стали могут располагаться:

1. В твердом растворе на основе Fe (ОЦК или ГЦК, в зависимости от содержания легирующих элементов). При введении в сталь Mn и Si происходит сильное упрочнение твердого раствора со структурой ОЦК, но именно эти легирующие элементы сильно снижают ударную вязкость и пластичность, а Si еще и смещает порог хладноломкости вправо. Но Mn и Si не дороги, их запасы велики и поэтому их вводят во многие стали (в том числе и в стали для корпусов кораблей) с целью повышения прочности. Mo и W упрочняют твердый раствор менее заметно, они дороги. Ni и Cr не упрочняют твердый раствор, но Ni смещает порог хладноломкости влево.

Наибольшее упрочнение твердого раствора со структурой ГЦК происходит при введении в сталь углерода и азота, атомы которых образуют в решетке ГЦК твердый раствор внедрения. Но в этом случае заметно снижается пластичность, а при введении углерода снижается еще и стойкость к коррозии. Менее заметно происходит упрочнение твердого раствора при введении легирующих элементов, которые расширяют область феррита и образуют твердый раствор замещения (W, Mo и т.д.).

2. В виде отдельных кристаллов с собственной кристаллической решеткой. В этом случае пластичность и ударная вязкость резко уменьшаются без повышения прочности. Металлы, которые образуют в железе собственные кристаллы, в состав сталей не вводят. Поэтому содержание Cu ограничивают, а содержание Pb, Bi и некоторых других не допустимо.

3. В виде новых химических соединений, в первую очередь КАРБИДОВ, химических соединений металлов с углеродом.

Способность металлов к образованию карбидов в стали возрастает слева направо в ряду Fe – Mn – Cr – Mo – W – Nb – V – Zr – Ti. В образовании карбидов не участвуют Ni, Cu, Si и Co. В сталях различают два типа карбидов.

Карбиды первого типа с простыми кристаллическими решетками (TiC, VC, NbC) не растворяются в решетке железа даже при нагреве до линии солидус. Углерод, который входит в состав карбидов, при нагреве под закалку не участвует в образовании мартенсита – прочность и твердость стали будет тем ниже, чем больше углерода входит в состав этих карбидов. При горячей пластической деформации такие карбиды снижают пластичность металла, сильно усложняя процесс. Но карбиды первого типа играют очень важную роль при сварке. В зоне около сварного шва сталь нагревается до 1000 – 1550С. Продолжительность нагрева тем больше, чем больше толщина свариваемого изделия. Такой нагрев может вызвать сильный рост зерна по границе сварного шва – и в этих участках резко снизится ударная вязкость. Наличие в стали карбидов первого типа тормозит рост зерна около сварного шва.

Карбиды второго типа со сложными кристаллическими решетками (Cr₂₃C₆, Fe₃W₃C, Fe₃Mo₃C и т.д.) при нагреве под закалку растворяются в аустените. Обычно для этого температура нагрева при закалке выше, чем для углеродистых сталей. Затем при отпуске стали в диапазоне температур 500 – 600С такие карбиды выделяются в виде мелких частиц, происходит дисперсионное твердение, сильно повышая твердость и прочность стали.

При нагреве карбиды второго типа, а также цементит, в кристаллическую решетку которого вместо Fe встают Mn, Cr или Mo начинают ведущую к снижению прочности коагуляцию (укрупнение) при более высокой температуре, чем обычный цементит. Легированные стали могут работать при боде высоких температурах.