Влияние легирующих элементов на свойства феррита и аустенита

Легирующие элементы, растворенные в феррите, повышают его предел прочности, твердость не изменяя существенно относительного удлинения, за исключением Mn и Si (2,5 – 3,0%) – которые сильно упрочняют феррит и снижают относительное удлинение (рис. 4).

Рисунок 4. Влияние легирующих элементов на свойства феррита:

а – твердость, б – ударная вязкость

Из рисунка 4, а:

Ni, Si, Mn – особенно сильно повышают твердость, а элементы Cr, W, Mo – значительно меньше повышают твердость (даже при больших концентрациях).

Из рисунка 4, б:

Ni, Si, Mn – при малых концентрациях (1 – 3%) повышают ударную вязкость;

Mo, Si. W – снижают ударную вязкость при всех концентрациях.

Рисунок 5. Влияние легирующих элементов на порог хладноломкости железа

Наиболее ценным легированным элементом, является Ni, т.к. он повышает прочность не снижая пластичности и ударной вязкости; снижает порог хладноломкости.

Легирующие элементы, растворяясь в г- Fе, повышают прочность аустенита при нормальной и высоких температурах. Для легированного аустенита характерен низкий предел текучести (у_т) при сравнительно высоком пределе прочности (у_в). Аустенит легко наклепывается, т.е. быстро и сильно упрочняется под действием деформации.

Карбидная фаза в легированных сталях

По отношению к углероду легирующие элементы подразделяют на две группы:

1) графитизирующие элементы: Si, Ni, Cu, Al;

2) карбидообразующие элементы:

Fе → Mn → Cr → Mo → W → Nb → V → Zr → Ti – расположены по возрастающей степени сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз.

Элементы Fe, Mn, Cr, Mo, W – образуют сложные карбиды, которые легко растворяются в аустените.

Nb, V, Zr, Ti – образуют специальные карбиды, трудно растворимые в аустените.

При таком содержании в стали Mn, Cr, W, Mo, они растворяются в цементите, замещая часть атомов Fе и образуя легированный цемент: (Fе,М)₃С, где М – легирующий элемент.

Мn может заместить в решетке цементита все атомы Fе: Fе₃С → Mn₃C;

Cr – до 2,5% ат (Fе,Cr)₃С;

Мо – до 3% ат (Fе,Мо)₃С;

W – до 0,8ч1,0% ат (Fе,W)₃С, если в стали большее содержание легированного элемента, то происходит образование специальных карбидов.

При повышенном содержании Cr, W, Mo в зависимости от содержания углерода в стали могут образоваться специальные карбиды.

При содержании Cr > 2,5% образуется специальный карбид Cr₇С₃ (М₇С₃ – общий вид), часть атомов Cr может быть заменена атомами железа (Cr,Fе)₇С₃ (до 55% Fе).

При еще больших содержаниях Cr (> 10ч12%) образуется карбид (Cr, Fе)₂₃С₆, (М₂₃С₆) (Fе до 35%).

Возможно образование сложных карбидов:

Fе₃Мо₃С в общем виде: М₆С, М₄С

Fе₂Мо₂С

Fе₃W₃С

Fе₂W₂С.

Приняты следующие обозначения карбидов: М₃С (карбид цементитного типа), М₂₃С₆, М₇С₃, М₆С, М₄С, МС.

Карбиды в сталях можно разделить на две группы:

1-я группа: М₃С, М₇С₃, М₂С₆, М₆С (М₄С) – имеют сложное кристаллическое строение, легко растворяются в аустените при нагреве.

2-я группа: МС, М₂С,VC, TiC, NbC, TаC, ZrC, Mo₂C, W₂C, WC – все это твердые растворы вычитания (недостаток углерода), имеют кубический тип решетки. При нагреве не растворяются в аустените.

Отличаются эти карбиды высокой температурой плавления, высокой твердостью. Микротвердость TiC: Нм2800 – 3200.

Интерметаллические соединения. Образуются при большом содержании легирующего элемента: Fе₇Мо₇, Fе₇W₆, Fe₃Nb₂, FeTi, FeCr, FeV, FeCrMo.

Классификация легированных сталей по структуре