Изучение структуры и свойств легированных сталей (лабораторная работа)

2.2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ В СТАЛИ
В промышленных легированных сталях легирующие элементы могут:
1) находиться в свободном состоянии: свинец, серебро, медь (если ее не более
1%) не образуют соединения и не растворяются в железе;
2) образовывать интерметаллические соединения с железом или между собой при
большом содержании легирующих элементов, встречаются, в основном, в
высоколегированных сталях;
3) образовывать окислы, сульфиды и другие неметаллические включения -
элементы, имеющие большее сродство к кислороду, чем железо. В процессе производства
стали такие элементы (например, Mn, Si, Al), введенные в последний момент плавки,
раскисляют сталь, отнимая кислород у железа. Количество окислов, сульфидов и других
неметаллических включений в обычных промышленных сталях невелико и зависит от
метода ведения плавки;
4) растворяться в цементите или образовывать самостоятельные карбидные фазы.
Карбидообразующими элементами могут быть элементы, имеющие большее, чем железо,
сродство к углероду (элементы, расположенные в периодической системе элементов левее
железа): Ti, V, Cr, Mn, Zr, Nb, Mo, Tc, Hf, Ta, W, Re. Указанные элементы, кроме того, что
они образуют карбиды, растворяются в железе. Следовательно, они в известной
пропорции распределяются между этими двумя фазами;
5) растворяться в железе - большинство легирующих элементов, кроме С, N, О, В и
металлоидов. Элементы, расположенные в периодической системе правее железа (Сu, Ni,
Сo и др.) образуют только растворы с железом и не входят в карбиды.
Таким образом, легирующие элементы преимущественно растворяются в
основных фазах железоуглеродистых сплавов - феррите и аустените, а также цементите
или образуют специальные карбиды.
2.5. ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ
2.5.1. Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита
Кинетика распада аустенита определяет поведение стали при термической
обработке. Легирующие элементы, которые только растворяются в феррите или
цементите, не образуя специальных карбидов, оказывают лишь количественное влияние
на процессы превращения, За исключением Со, который ускоряет превращение, все
элементы замедляют его (Mn, Ni и другие).
Карбидообразующие элементы вносят не только количественные, но и качественные
изменения в кинетику изотермического превращения. Легирующие элементы при разных
температурах по-разному влияют на скорость распада аустенита: 700 - 500 °С (
образование перлита) - замедляют превращение; 500 - 400°С - весьма значительно
замедляют превращение; 400 - 300 °С (образование бейнита) - ускоряют превращение.
Таким образом, в сталях, легированных карбидообразующими элементами (Cr,
Mo, W и др.), наблюдаются два максимума скорости изотермического распада аустенита,
разделенных областью относительной устойчивости переохлажденного аустенита.
Изотермический распад аустенита имеет два явно выраженных интервала превращений -
M3C
M23C6
MC
M7C3
M6C
карбиды I группы
M2C
карбиды II группы
превращение в пластинчатые (перлитное превращение) и превращение в игольчатые
(бейнитное превращение) структуры. Практически наиболее важной является способность легирующих элементов
замедлять скорость распада аустенита в районе перлитного превращения, что выражается
в смещении вправо линии на диаграмме изотермического распада аустенита. Это
способствует более глубокой прокаливаемости и переохлаждению аустенита до интервала
мартенситного превращения при более медленном охлаждении, например, при
охлаждении в масле или на воздухе.
Наиболее сильно увеличивают прокаливаемость хром, никель, молибден,
марганец, поэтому они входят в состав большинства конструкционных легированных
сталей.
Прокаливаемость стали может быть особенно увеличена при совместном
легировании несколькими элементами. Таково, например, совместное действие никеля и
хрома. Очень эффективно действует молибден при введении его в хромоникелевую сталь.
Своеобразно влияют на кинетику распада такие сильные карбидообразователи, как
Ti, V, Nb и отчасти W. Так как элементы образуют труднорастворимые карбиды, то при
обычных температурах закалки (800-900 °С) они остаются связанными в карбиды и не
переходят в аустенит. В результате этого прокаливаемость стали уменьшается, так как
карбиды действуют как готовые центры кристаллизации перлита. При высоком нагреве
под закалку эти карбиды уже растворяются в аустените, что увеличивает
прокаливаемость.
2.5.2. Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение
Легирующие элементы, не влияя на кинетику мартенситного превращения,
оказывают влияние на положение температурного интервала мартенситного превращения,
что отражается на количестве остаточного аустенита, которое фиксируется в закаленной
стали. Некоторые элементы повышают мартенситную точку и уменьшают количество
остаточного аустенита (Аl, Со), другие не влияют на нее (Si), но большинство снижают
мартенситную точку и увеличивают количество остаточного аустенита (рис. 2.4).
Влияние легирующих элементов на температуру мартенситного превращения (а) и
количество остаточного аустенита (б) сталей, содержащих 1%С
Рис. 2.4
Из диаграммы видно, например, что 5 %Мп снижает мартенситную точку до 0 °С,
следовательно, при таком (или большем) содержании этого легирующего элемента
охлаждением можно зафиксировать аустенитное состояние.
2.5.3. Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита
Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита является прямым
следствием различной устойчивости карбидов этих элементов. Избыточные карбиды, не
растворенные в аустените, препятствуют росту аустенитного зерна. В связи с этим, хром,
молибден, вольфрам, ванадий,титан сильно измельчают зерно; никель, кобальт, кремний,
медь (элементы, не образующие карбидов) - слабо влияют на рост зерна; марганец, бор -
способствуют росту зерна.
3. КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Легированные стали могут быть классифицированы по четырем признакам: по
равновесной структуре (после отжига), по структуре после охлаждения на воздухе (после
нормализации), по составу и по назначению.
3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ по равновесной структуре
1. Доэвтектоидные стали, имеющие в структуре избыточный феррит.
2. Эвтектоидные стали, имеющие перлитную структуру.
3. Заэвтектоидные стали, имеющие в структуре избыточные (вторичные) карбиды.
4. Ледебуритные стали, имеющие в структуре первичные карбиды, выделившиеся из
жидкой фазы. В литом виде избыточные карбиды совместно с аустенитом образуют
эвтектику - ледебурит, который при ковке или прокатке разбивается на обособленные
карбиды и аустенит.
5. Ферритные стали.
6. Аустенитные стали.
Большинство легирующих элементов сдвигают точки S и Е (на диаграмме Fе - С) в
сторону меньшего содержания углерода, поэтому граница между доэвтектоидными и
заэвтектоидными сталями, заэвтектоидными и ледебуритными - в легированных сталях
лежит при меньшей содержании углерода, чем в углеродистых.