Влияние легирующих добавок на свойства сталей

Категория:
Черные металлы


Влияние легирующих добавок на свойства сталей

Легирующие элементы по-разному взаимодействуют в стали с твердыми растворами о и у и с углеродом.

Первая группа охватывает элементы: Ni, Мп, Со, (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt), образующих первую подгруппу, и С, N, Си, возможно В, (Zn, Аи, Re), образующих вторую подгруппу. Элементы, помещенные в скобки, пока еще не имеют практического 1 значения при легировании сталей.

Элементы обеих подгрупп способны растворяться в железе у и стабилизировать его. Однако элементы первой подгруппы неограниченно растворимы в у-железе и очень сильно расширяют область его устойчивого существования. Элементы второй подгруппы ограниченно растворимы в железе у и расширяют 1 область у значительно меньше.

Вторая группа содержит Сг и V в первой подгруппе; Al, Si, W, j Mo, Ti, Be, P (Sn, Sb, As) — во второй и Nb, Та, Zr, Се, О —в третьей подгруппе.

Элементы всех трех подгрупп второй группы способны растворяться в железе а и стабилизировать его, резко суживая область у. Элементы двух первых подгрупп сходны тем, что образуют сплошные области растворов а, причем в первой подгруппе растворимость неограниченна (рис. 1,в), а во второй ограниченна (рис. 1,г). Элементы третьей подгруппы образуют не одну, а две области растворов а, отделенные друг от друга и от области у гетерогенными областями у + о (рис. 1,д).

Рис. 1. Схемы двойных диаграмм состояний сплавов железа с легирующими элементами

Из сказанного следует, что элементы первой группы можно назвать аустенитобразователями, а второй группы — ферритоб-разователями.

Легирование позволяет получать стали со структурами и свойствами, не присущими в тех же условиях углеродистым сталям. Так, например, используя легирование такими элементами, как никель или хром, можно получить стали с устойчивой аусте-нитной или ферритной структурой, обладающей новыми механическими и физическими свойствами и ценными служебными характеристиками, недоступными для нелегированных железоуглеродистых сплавов.

Большое значение имеет в стали взаимодействие легирующих элементов с углеродом. Железо и ряд элементов, находящихся левее его в таблице Менделеева, образуют с углеродом карбиды Различной устойчивости, из которых одни сравнительно легко переходят в твердый раствор с железом у при термической обра-отке (1 группа карбидов), а другие почти не растворяются в нем, даже при температурах нагрева, близких к линии солидус (II группа карбидов).

К первой группе (в порядке возрастания стойкости) относятся: Fe3C, Мп3С, Сг23С6, Сг7С3 и двойные карбиды, образованные двумя металлами, Fe2Mo2C и Fe2W2C.

Все эти карбиды принимают важнейшее участие при фазовых превращениях и упрочнении сталей в процессе термической обработки.

При ненормально медленном охлаждении W и Мо могут образовать почти нерастворимые карбиды второй группы Мо2С, W2C и WC, что портит сталь.

К второй группе карбидов принадлежат VC, TiC, NbC, ТаС, Та2С и ZrC. Несмотря на малую растворимость в аустените, они находят известное применение при изготовлении жаростойких жаропрочных сплавов и быстрорежущих сталей.

Карбиды первой группы переходят в твердый раствор и выпадают из него гораздо трудней и при значительно более высоких температурах по сравнению обыкновенным цементитом, так как при этом должны происходить сложные и медленно текущие диффузионные процессы.

Это обстоятельство используется для упрочнения сталей против смягчающего действия высоких температур. В результате легированные аустенит и мартенсит приобретают способность сохранять прочность при повышенных и высоких рабочих температурах за счет медленного выделения и укрупнения (коагуляции) частиц сложных карбидных фаз.

Если при этом усложнить и состав исходного твердого раствора за счет введения таких элементов, как никель, кобальт и некоторые другие, то эффект упрочнения еще более возрастает.

Этот комбинированный метод легирования широко практикуется при создании и использовании многочисленных жаропрочных сплавов.

Судить о способности легирующих добавок стабилизировать аустенит, замедлять его распад и повышать способность к переохлаждению можно по виду С-образных диаграмм. Если взять в качестве исходной С-образную диаграмму углеродистой стали i проследить, как меняется положение кривых начала и конца аустенитного распада под влиянием различных легирующих добавок, то окажется, что, за исключением кобальта, все легирующие элементы первой группы, а также кремний из второй группы, растворяясь в аустените, делают его более устойчивым при изотермической выдержке; это выражается на диаграмме в сдвиге ее вправо. Характер кривых начала и конца распада аустенита при этом сохраняется.

Рис. 2. Диаграмма состояний сплавов железа с никелем

Рис. 3. Типичные диаграммы состояний для элементов второй группы: а — первая подгруппа; б — вторая подгруппа

Карбидобразующие элементы (Cr, Mo, W и др.), переходя из карбидов в твердый раствор, также стабилизируют аустенит и сдвигают С-образную диаграмму вправо. Однако характер Кривых при этом меняется: на них вместо одного минимума устойчивости аустенита, лежащего примерно при 550°, появляется два минимума, лежащих соответственно при 600 и

Это означает, что карбидобразующие примеси способствуют выявлению двух максимумов скорости распада аустенита: пер-вый (при 600°) соответствует преобразованию аустенита в пластинчатую смесь (сорбит), а второй (при 300°) — в игольчатую смесь (игольчатый тростит).

Общим в действии легирующих добавок первой и второй групп (кроме Со) является сдвиг вправо кривой начала аусте-нитного распада, или расширение на С-образной диаграмме поля устойчивости аустенита во времени, а это равноценно возможности проводить закалку на мартенсит при уменьшенных скоростях охлаждения, т. е. увеличивать прокаливаемость. Другими словами, подавляющее большинство легирующих примесей снижает критическую скорость закалки легированных сталей. Это влияние нетрудно понять из схемы на рис. 4.

Рис. 4. Влияние никеля и хрома на изотермический распад аустенита в сталях с 0,5% углерода

На С-образных диаграммах видно также, что с увеличением степени легированности точка Мн постепенно снижается, что свидетельствует о все большей задержке превращения аустенита в мартенсит и непрерывном возрастании количества остаточного аустенита. В конце концов мартенситное превращение оказывается полностью подавленным и сталь, охлажденная до обычных температур, целиком сохраняет исходную аустенитную структуру.

Различные легирующие элементы по-разному смещают точку Мн.

Определяя способность аустенита к переохлаждению, можно классифицировать сталь по микроструктуре. Для этого ту или иную сталь в виде небольших образцов нагревают до заведомо аустенитного состояния, а затем охлаждают на воздухе.

Нелегированные или малолегированные стали испытывают при этом превращение аустенита в структуру перлитного типа; стали средней легированности приобретают мартенситную структуру. Стали высоколегированные сохраняют переохлажденный аустенит при комнатных температурах.

В соответствии с указанным поведением стали делятся на перлитный, мар-тенситный и аустенитный классы.

Рис. 5. Влияние легирующих элемен тов на положение начальной мартенситной точки

С изменением режима охлаждения или толщины образца результаты могут получиться искаженными. Так, легированная сталь перлитного класса при охлаждении вместо воздуха в масле и тем более в воде может приобрести мартенситную структуру. Наоборот, охлаждение с высоких температур сталей мартенситного и аустенитного классов более замедленное, чем на воздухе, может привести к получению структур перлитного типа.

Рис. 6. Диаграммы изотермического распада аустенита для сталей классов: а — перлитного; б — мартенситного; в — аустенитного

Соответствующим образом должна учитываться и толщина образца, изменяющая скорость охлаждения сердцевины и могущая обусловить получение структур, не предусмотренных классификацией.

Стали, содержащие в структуре специальные карбиды, относят к карбидному классу. Кроме того, существуют стали феррит-ного класса. Подавляющее большинство конструкционных сталей относится к перлитному классу. Для получения высоких служебных характеристик эти стали проходят закалку на мартенсит. Прокаливаемость у таких сталей высокая и тем выше, чем большее количество легирующих примесей в них содержится.

Рис. 7. Влияние легирующих элементов на концентрацию углерода в перлите

Из сталей перлитного класса с успехом изготовляют сравнительно простые детали, закаливаемые на мартенсит в масле.

Отпуск низкий, средний и высокий обеспечивают получение структур соответственно кубического мартенсита, тростита и сорбита.

Мартенсит легированных сталей, отличаясь высокой твердостью и прочностью, имеет гораздо лучшие характеристики пластичности и ударной вязкости по сравнению с мартенситом углеродистых сталей с такой же прочностью.

Стали мартенситного класса успешно применяются для тяже-лонагруженных деталей сложной формы и достаточно массивного сечения. В этом случае сталь мартенситного класса при охлаждении на воздухе прокаливается насквозь и приобретает мартенситную структуру без значительных температурных и остаточных напряжений и связанных с ними недопустимо больших деформаций детали, как это бывает с углеродистыми сталями при охлаждении в воде.

ИЗ сталей аустенитного класса, обладающих суммой свойств, не обеспечиваемых сталями других классов, изготовляются многие детали жаростойкого и жаропрочного назначения.

Легирование оказывает сильное влияние на критические точки обычной диаграммы Fe—Fe3C как в отношении концентраций углерода, так и положения на температурной шкале.

Почти все легирующие примеси смещают эвтектоидную точку влево, т. е. уменьшают содержание углерода в перлите. Так, например, 4% Ni смещают эвтектоидную точку с 0,8 до 0,7% С; 1 % W смещает ее с 0,8 до 0,55% С и т. д.

Рис. 8. Влияние легирующих элементов

Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум