3. Влияние легирующих элементов на процессы, протекающие в сталях при сварке

Введение в сталь легирующих элементов (ЛЭ) меняет ее свойства и в значительной мере влияет на условия сварки и свойства сварного соединения. Это связано с влиянием:

– на свойства основных фаз стали (Fe–С);

– положение критических температур и концентраций;

– характер протекания процессов при нагреве и охлаждении;

– структурные превращения.

С основой стали – железом – ЛЭ дают растворы замещения. Как правило, они повышают _В, снижают  и KCV. Исключение составляют Mn и Ni, содержание которых в определенных количествах повышает KCV стали.

Взаимодействие ЛЭ с углеродом более сложно.

С одной стороны, они способны либо непосредственно образовывать карбиды, либо заменять часть атомов железа в его карбиде (Fe₃C).

С другой стороны, образуя растворы замещения и заменяя в кристаллической решетке часть атомов железа, разные ЛЭ по-разному изменяют энергетические условия взаимодействия с решеткой и кинетику полиморфных превращений. Чем выше активность химических элементов как карбидообразователей, тем больше устойчивость образовавшихся карбидов.

Введенные в сталь ЛЭ распределяются между твердым раствором и карбидами в зависимости от степени сродства элемента к углероду. По степени увеличения химического сродства элемента к углероду ЛЭ располагаются по порядку: Mn, Cr, W, Mo, V, Nb, Ti, т. е. Ti, Nb и V дают наиболее устойчивые карбиды.

Степень химического сродства к углероду определяет распределение элементов между ферритом и карбидами (рис. 2). Это позволяет регулировать количество карбидов в стали и степень упрочнения твердого раствора.

В зависимости от строения кристаллической решетки различают две группы карбидов:

I группа – Ме₃С; Ме₂₃С₆, Ме₇С₃, Ме₆С;

II группа – MeC, Ме₂С.

Рис. 2. Распределение карбидообразующих элементов между ферритом и карбидами

Карбиды I группы со сложной кристаллической решеткой при нагреве легко растворяются в аустените. Карбиды II группы, как фазы внедрения, имеющие простую кристаллическую решетку, термостойки и даже при высоких температурах могут не перейти в твердый раствор. Так, Тпл WC – 2900°С, VC – 3100 °С, а CrС – 1940 °С.

Большинство ЛЭ уменьшают растворимость углерода в аустените при всех температурах, что влияет на температуру Ас₁и содержание углерода в эвтектоиде (рис. 3, 4).

ЛЭ растворяются в железе и влияют на температурный интервал существования – или –железа и сдвигают по температурной шкале точки А₃ и А₄.

Рис. 3. Влияние легирующих элементов на температуру Ас1

Рис. 4. Влияние легирующих элементов на содержание углерода в эвтектоиде

По влиянию на температуры А₃ и А₄ ЛЭ можно разделить на 2 группы. В первую группу входят Ni, Mn, С, N и др., которые понижают температуру А₃, повышают температуру А₄ и способствуют расширению области существования ГЦК-решетки железа (рис. 5). Такие сплавы называют аустенитными сталями.

Таким образом, аустенитом называют не только твердый раствор углерода в Fe_, но и любые твердые растворы на основе Fe_.

Рис. 5. Схема диаграмм состояний "железо–легирующий элемент"

Во вторую группу входят Cг, Mo, W, V, Si, Ti и др., которые повышают температуру А₃, понижают А₄ и способствуют расширению области существования Fe_. Однофазные сплавы с ОЦК-решеткой, устойчивой вплоть до Т_с, называются ферритными сталями.

Таким образом, ферритом называют не только твердый раствор углерода в Fe_, но и любые твердые растворы на основе Fe_.