HomeЛегированная сталь › Легированная сталь

Легированная сталь

Легированная стальСталь, содержащая в своем составе специально введенные элементы, отсутствующие в обычной углеродистой стали, или имеющая повышенное против допускаемого в углеродистой стали количество кремния и марганца, называется легированной.

 

Элементы, вводимые при этом в сталь, называют легирующими. Наиболее применимыми из них являются: Сг, Мп, Ni, Si, W, Mo, V, Ti, Cu, Co, Al, B, Nb, Zr. Особенно часто в современной практике сталь легируется первыми семью элементами.

 

Содержащиеся в стали легирующие элементы определяют ее название по составу, например: хромистая, хромоникельвольфра-мовая и т. д. Вводимые в сталь легирующие элементы вступают во взаимодействие с железом и с углеродом, в результате чего происходит изменение всего комплекса механических, физических и химических свойств стали. Воздействие на свойства стали в полезном направлении и составляет задачу ее легирования.

 

Прежде чем приступить к описанию влияния легирующих элементов на свойства стали, остановимся на рассмотрении отношения легирующих элементов к основным компонентам стали — железу и углероду, при образовании сплавов.

 

Характер взаимодействия легирующих элементов с железом при образовании сплавов с ним подчиняется общей теории сплавов и определяется следующими основными факторами:

1) строением внешних (валентных) электронных оболочек атомов;

2) соотношением атомных размеров железа и легирующих элементов.

 

Подавляющее большинство легирующих элементов имеет относительно сходственное с железом строение внешних электронных оболочек и потому близкие с ним электрохимические свойства. В частности, важнейшие легирующие элементы (Мп, Сг, Ni) являются соседями с железом в ряду напряжения металлических элементов. В то же время атомные размеры легирующих элементов не отличаются существенно от размеров атомов железа.

 

Эти обстоятельства и определяют тот факт, что легирующие элементы в сплавах с железом, в пределах концентраций, встречающихся в стали, как правило, образуют твердые растворы замещения. Исключение составляет В, а также элементы-газы Н3, N2, 02, которые растворяются в железе по типу внедрения. Нерастворимые в железе элементы для легирования стали не применяются.

 

При более внимательном рассмотрении факторов, определяющих характер взаимодействия легирующих элементов в сплавах с железом, можно установить по Юм.-Розери и И.Корнилову в следующие закономерности.

1. Элементы с атомным радиусом, отличающимся менее чем на 8% от атомного радиуса железа, образуют в сплавах с ним твердые растворы замещения с широкими границами взаимной растворимости.

 

Полная же взаимная растворимость в твердом состоянии наблюдается в том случае, если введение легирующего элемента не сопровождается изменением концентрации валентных электронов, приходящихся на каждый атом сплава (железо и легирующий элемент имеют одинаковую валентность), или увеличение электронной концентрации при введении элемента с большей валентностью не превосходит некоторого критического значения (Fe^ = 1,36, Fea — 1,48), связанного с системой пространственного заполнения кристаллической решетки.

 

Иногда указывается, что для полной взаимной растворимости необходимо, чтобы легирующий элемент имел одинаковую с f-или а-железом кристаллическую решетку. Однако подобие кристаллической структуры при образовании твердых растворов замещения надлежит рассматривать по Н. В. Агееву лишь как следствие главного условия — сохранения электронной концентрации на постоянном уровне или по крайней мере ниже ее критического значения.

 

2. Элементы с атомным радиусом, отличающимся от атомного радиуса железа на величину от 8 до 15%, также образуют с железом твердые растворы замещения, но со значительно более ограниченными пределами растворимости. Предел растворимости элементов в железе с увеличением различия атомных радиусов в диапазоне указанных значений неизменно понижается. На предел растворимости оказывает решающее влияние также концентрация валентных электронов, приходящихся на один атом сплава.

 

При введении легирующих элементов с большей, чем у железа валентностью, предел растворимости будет достигнут как только электронная концентрация возрастет до критического значения. Следовательно, чем выше валентность вводимого элемента по сравнению с железом, тем ниже его предел растворимости в последнем.

3. Элементы с атомным радиусом, составляющим 63% и меньше атомного радиуса железа, образуют в нем твердые растворы внедрения. Характерной особенностью

Твердых растворов внедрения является низкий предел растворимости; в большинстве случаев в а-железе он не превышает десятых и даже сотых долей процента.

 

4. Если легирующие элементы добавляются при сплавлении с железом в количествах, превышающих их предел растворимости в твердом состоянии, то они вступают в химическую связь с железом, образуя соединения или чаще так называемые промежуточные фазы.

 

Последние приближаются по своей природе к истинным химическим соединениям, но отличаются от них некоторыми особенностями кристаллического строения и переменным составом. Однако легирующие элементы, как правило, присутствуют в стали в количествах ниже их предела растворимости в железе, и потому указанные фазы, за редким исключением, в технических сортах стали не наблюдаются.

 

5. Фактически только Ni и Со обладают полной взаимной растворимостью с железом в твердом состоянии при всех температурах. Mn,\»Cr, V в сплавах с Fe непосредственно.после затвердевания также образуют твердые растворы с неограниченной растворимостью, но при дальнейшем охлаждении, в определенном интервале концентраций, в них происходит образование промежуточных фаз.

 

Все другие легирующие элементы обладают ограниченной растворимостью в железе, предельное значение которой в зависимости от температуры легко устанавливается по диаграммам состояния сплавов железа с соответствующими элементами.

 

Растворенные в железе атомы легирующих элементов, имеющие несколько отличные от железа размеры, а также строение внешни-х электронных оболочек нарушают общую симметрию электрического поля решеток железа, т. е. производят их искажение, в результате чего наблюдается изменение физических, механических и химических свойств сплавов. Понятно, что присутствие в сплавах химических соединений и промежуточных фаз также отражается на комплексе их свойств.

 

Действие легирующих элементов на механические свойства железа заметно проявляется даже в тех случаях, когда эти элементы присутствуют в твердом растворе в сплавах с железом в небольших количествах, порядка нескольких процентов.

 

 Здесь видно, что все легирующие элементы в той или иной степени упрочняют феррит, повышая его твердость. Особенно эффективно в этом отношении действие Мп, Si и Ni. Вместе с тем легирующие элементы оказывают решающее, но не однозначное влияние на ударную вязкость феррита. Действие Si, W и Мо явно отрицательное. Добавка Мп и Сг первоначально (до 1%)

 

Легированная сталь приводит к повышению ударной вязкости, однако дальнейшее увеличение содержания этих элементов в а-растворе (феррите) отмечается снижением вязкости. Только никель, вызывая упрочнение феррита, одновременно не ухудшает ударной вязкости последнего. В этом в сущности и заключается его ценная особенность как легирующего элемента в сплавах с железом.

 

Из факта влияния легирующих элементов на механические свойства феррита вытекает важный вывод о том, что одно только их присутствие в твердом растворе может оказывать заметное действие на механические свойства стали.

 

Между тем, как будет отмечено далее, легирующие элементы всегда в ТОЙ или иной степени оказываются растворенными в ферритной составляющей стали.

Следовательно, рациональнее легирование применяемой в иезакалениом состоянии стали обязательно должно быть также увязано с действием элементов на механические свойства феррита.

 

Одной из важнейших особенностей влияния легирующих элементов в сплавах с железом является их действие на аллотропические превращения, которое проявляется в смещении температурных границ аллотропических превращений при нагревании и охлаждении, по сравнению с теми температурами , которые наблюдаются у чистого железа (например, при 906° превращение)

В равновесных условиях (при медленном нагреве и охлаждении) по характеру действия легирующих элементов на аллотропические превращения их можно разделить на две основные группы:

1) группу никеля, включающую Ni, Со, Мп, Си (сюда же можно отнести N и С);

2) группу хрома, включающую Сг, Mo, W, V, Si, Ti, А1, В, Nb, Zr.

 

Влияние элементов группы никеля заключается в постепенном понижении температуры превращения (точки Л3), при одновременном повышении температуры превращения Ь (точки /14) по мере увеличения количества вводимого элемента. Такой характер действия элементов в общем виде (схематически) и на конкретном примере системы Fe-Ni показан.

 

Здесь видно, что по мере увеличения в сплаве легирующего элемента область фазы расширяется и выше определенной концентрации (больше 30% № в системе Fe-Ni) сплавы при всех температурах до расплавления находятся в состоянии \»-твердого раствора. Другими словами, такие сплавы не испытывают аллотропических превращений при их нагревании от комнатной температуры (кривая CD представляет магнитное превращение — нефазовое).

 

Здесь видно, что в результате отмеченного действия элемента область f-фазы при известном его количестве полностью замыкается. В сплавах системы Fe — Сг область f-фазы оказывается замкнутой при содержании хрома около 14%. Это означает, что сплавы, содержащие более 14% хрома, не испытывают аллотропических превращений и при всех температурах в твердом состоянии представляют одну фазу — а-твердый раствор.

 

Другой существенной особенностью влияния легирующих элементов на превращения в сплавах с железом является повышением склонности -твердых растворов к переохлаждению. Особенно эффективно в этом направлении действие Сг, Мп и Ni. В результате вышеуказанного, железо, легированное Сг, Мп или Ni, даже в тех случаях, когда содержание этих элементов не превосходит нескольких процентов, приобретает подобно стали способность закаливаться при быстром охлаждении (в воде) от температур нагрева, отвечающих состоянию твердого раствора.

 

Твердость при этом возрастает на 100-200 единиц по Бринелю, а структура приобретает игольчатое, подобное мартенситу, строение, т. е. получается как бы закалка безуглеродистого легированного железа. Причиной закалки легированного железа служит изменение механизма аллотропического превращения в условиях быстрого охлаждения.

Дело в том, что легированный Сг, Мп или Ni -твердый раствор при быстром охлаждении (закалке в воде) оказывается переохлажденным до температур 500-400° и ниже.

 

При таких относительно невысоких температурах течение аллотропического превращения f — а по обычному диффузионному типу, т. е. путем зарождения центров кристаллизации и последующего постепенного их роста, оказывается исключенным ввиду малой скорости диффузии атомов железа и легирующих элементов.

 

Единственно возможным в этих температурных условиях является бездиффузионный характер аллотропического превращения — а по мартенситному типу, т. е. так, как наблюдается при распаде переохлажденного аустенита стали на мартенсит в тот момент, когда -(-железо превращается в а-железо.

 

Что же касается повышения твердости при закалке легированного железа, то полагают, что она обусловлена, в основном, возникновением наклепа кристалликов а-железа вследствие превращения, сопровождающегося изменением удельного объема фаз. Возможно также, что повышенная твердость закаленного феррита до некоторой степени связана с большей мелкозернистостью, получающейся при образовании игольчатой структуры.

 

Закаленный игольчатый феррит сохраняет свое строение и высокую твердость при нагревании до температуры порядка 500-550°. При этих температурах возникает его рекристаллизация и он приобретает полиэдрическое (зернистое) строение.

 

Поскольку ферритная основа стали испытывает при высоком отпуске после закалки структурные изменения, аналогичные тем, которые наблюдаются при нагреве до температур высокого отпуска у игольчатого феррита, следует считать, что высокий отпуск закаленной стали сопровождается также и процессами рекристаллизации а-фазы.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.