Легированная сталь

Вязников Н.Ф

Металлургиздат, 1963 г.

ДИСПЕРСИОННОЕ ТВЕРДЕНИЕ СТАЛИ

При введении в сталь легирующих элементов, растворимость которых в решетке железа может изменяться в зависимости от температуры, наблюдается эффект, называемый дисперсионным твердением стали. При нагреве сплава до определенной температуры выше линии предельной растворимости на диаграмме железо— легирующий элемент весь легирующий элемент может перейти в твердый раствор. При медленном охлаждении избыточное количество элемента

выделяется из твердого раствора; если же сплав от температуры выше линии предельной растворимости охладить очень быстро (закалить), то избыточное количество элемента выделиться не успеет и получится пересыщенный твердый раствор с повышенной концентрацией растворенного лк элемента.

Такой твердый раствор является неравновесным, неустойчивым и стремится к распаду. Процесс распада пересыщенного твердого раствора при комнатной температуре называется естественным старением. При некотором нагреве ниже линии предельной растворимости скорость распада пересыщенного раствора значительно увеличивается, такой процесс называется искусственным старением.

При старении сплава избыточный элемент выделяется из атомнокристаллической решетки металла-растворителя в виде мельчайших частиц, которые называются дисперсной фазой, а основная масса твердого раствора, в которой идет выпадение этих частиц, называется дисперсионной средой.

Дисперсная фаза, будучи равномерно распределена в дисперсионной среде, искажает атомнокристаллическую решетку металла, затрудняет сдвиги металла по атомнокристаллическим плоскостям скольжения и изменяет физико-химические и механические свойства сплава. В частности, при выпадении из раствора дисперсной фазы повышается твердость сплава, почему это явление и получило название дисперсионного твердения. При этом повышение твердости сплава может произойти и в том случае, когда выпадающая дисперсная фаза мягче основного твердого раствора. Например, такое явление наблюдается при дисперсионном твердении медистой стали, при выпадении из твердого раствора мельчайших частиц (дисперсной фазы) избыточной меди.

Эффект дисперсионного твердения стали наблюдается только в том случае, когда сохраняется когерентность (непрерывность) атомнокристаллических решеток дисперсной фазы и дисперсионной среды. При отсутствии этой связи дисперсионного твердения не наблюдается. Например, выделение фазы мельчайших неметаллических включений (окислов, сульфидов и т. п.) не сопровождается дисперсионным твердением, так как у неметаллической фазы нет когерентной связи с атомнокристаллической решеткой основной металлической среды и такие частички не вызывают искажения решетки железа на границе раздела фаз.

Дисперсионное твердение связано с диффузионными процессами, а поэтому продолжительность нагрева (продолжительность старения) сплава оказывает большое влияние на эффект дисперсионного твердения; во многих случаях длительный нагрев при пониженной температуре дает такой же эффект, какой можно получить за короткое время при повышенной температуре.

Дисперсионное твердение в сложнолегированной стали с несколькими легирующими элементами часто проявляется совершенно иначе, чем в стали с одним легирующим элементом, так как дополнительные легирующие элементы могут увеличить или уменьшить растворимость основного элемента, вызывающего дисперсионное твердение, и тем самым увеличить или уменьшить эффект дисперсионного твердения. Например, если дополнительный легирующий элемент понижает растворимость основного растворимого элемента, то эффект дисперсионного твердения сплава увеличится, и наоборот, если дополнительный элемент повышает растворимость основного элемента или связывает его в нерастворимые химические соединения, то он может уменьшить или даже совершенно уничтожить эффект дисперсионного твердения.

Дисперсионное твердение часто сопутствует обычному процессу термической обработки и оказывает весьма существенное влияние на свойства термически обработанной стали, например при закалке и отпуске быстрорежущей стали, медесодержащей стали и т. п. Как самостоятельная операция термической обработки дисперсионное твердение (старение) часто применяется для улучшения магнитных свойств некоторых ферритных сплавов, для повышения прочности при высоких температурах аустенитных сталей и т. д.

КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛИ ПО СТЕПЕНИ ЛЕГИРОВАННОСТИ И ПО НАЗНАЧЕНИЮ

Легированная сталь по общему содержанию присутствующих в ней легирующих элементов делится на низколегированную, среднелегированную и высоколегированную. К низколегированной стали обычно относится малоуглеродистая сталь, общее весовое содержание легирующих элементов в которой не превышает 3—4%. В среднелегированной стали суммарное содержание легирующих элементов находится в пределах от 4 до 10% при различном содержании углерода, а в высоколегированной стали содержание легирующих элементов иногда доходит до 30—50%. Причем, на практике при характеристике легированности стали очень часто принимается во внимание также качественность стали и стоимость легирующих элементов. Поэтому, в зависимости от состава иногда сталь с небольшим содержанием легирующих элементов относят к среднелегированной, а среднелегирован-ную — называют высоколегированной и т. д. Например, высококачественную хромоникелемолибденовую машиностроительную сталь, с общим содержанием легирующих элементов около 5% обычно называют высоколегированной сталью, так как в эту сталь входят никель и молибден, являющиеся дорогими легирующими элементами.

По своему назначению легированная сталь делится на три группы: а) конструкционную, б) инструментальную, в) сталь с особыми физико-химическими свойствами. Каждой такой группе стали отвечают определенные содержания углерода и легирующих элементов.