Влияние легирующих элементов на свойства стали
С высокой плотностью дислокаций
Классификация сплавов железа с углеродом по структуре
По структуре различают следующие группы сталей:
1) техническое железо с содержанием углерода менее 0,02 %. Структура сплава однофазная – феррит;
2) доэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,02 до 0,8 %. Структура сплавов состоит из феррита и перлита, причем с увеличением содержания углерода доля перлита в структуре возрастает;
3) эвтектоидная сталь с содержанием углерода 0,8 %. Структура стали – перлит: чередующиеся пластинки феррита и цементита;
4) 
заэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 %. Структура состоит из участков перлита, разделенных хрупкими цементитными оболочками.
Техническое Доэвтектоидная Эвтектоидная Заэвтектоидная
Железо сталь сталь сталь
Чугуны, изображенные на диаграмме, относятся к группе белых чугунов. В них весь углерод находится в связанном виде – в виде цементита Fe3C. По структуре различают следующие разновидности белых чугунов:
1) доэвтектические белые чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 %. Структура сплавов состоит из эвтектики (ледебурита) и участков перлита;
2) эвтектический белый чугун с содержанием углерода 4,3 %. Структура сплава – ледебурит, состоящий из цементита (светлая составляющая) и перлита (темные участки);
3) заэвтектический белый чугун с содержанием углерода от 4,3 до 6,69 %. Структура состоит из пластин первичного цементита и ледебурита.
Доэвтектический Эвтектический Заэвтектический
Белый чугун белый чугун белый чугун
Легированные стали
Слово «легирование» в переводе с латинского означает «улучшение». Легирующие элементы добавляют для повышения конструкционной прочности стали и придания ей особых эксплуатационных свойств.
Для металлоконструкций и деталей, работающих в тяжелых условиях нагружения, используют легированные стали, а не углеродистые.
В первую очередь стараются применять недорогие и недефицитные элементы, особенно для деталей массового изготовления. Это марганец, кремний, хром. Дополнительно стали легируют элементами, сдерживающими рост зерна: титаном, ванадием, бором. Но для особо ответственных деталей приходится применять гораздо более дорогие и дефицитные никель, молибден, вольфрам, ниобий и др.
По количеству легирующих элементов стали подразделяют на низколегированные (содержат не более 2,5 % легирующих элементов), легированные (содержание легирующих элементов от 2,5 до 10 %) и высоколегированные (более 10 % легирующих добавок).
В строительстве широко применяются низколегированные стали, в машиностроении – легированные. Высоколегированные стали имеют специальное назначение: коррозионно-стойкие, жаропрочные, немагнитные и т. д.
Влияние легирующих элементов на свойства стали
1. Основной структурной составляющей конструкционных сталей является феррит (до 90 %). Поэтому легирующие элементы должны в первую очередь упрочнять феррит. (Цементит в упрочнении не нуждается.) Максимальное упрочнение феррита создают кремний, марганец и никель. Эти элементы не образуют собственных карбидов, поэтому содержатся только в твердом растворе. Кремний к тому же растворяется по типу внедрения, что дает особенно эффективное упрочнение.
На пластичность легирующие элементы почти не влияют, но снижают ударную вязкость при добавлении их более 1 %. Отсюда следует, что легирование должно быть рациональным: добавлять нужно минимально необходимое количество каждого элемента, причем предпочтительно использовать комплекс легирующих элементов, а не какой-то один.
Влияние легирующих Влияние легирующих
элементов на твердость элементов на ударную
отожженной стали вязкость стали
2. Легирующие элементы повышают критические температуры стали, поэтому температурные интервалы термообработки для легированных сталей выше, чем для углеродистых сталей.
3. Легирующие элементы снижают критическую скорость охлаждения при закалке стали. Для распада аустенита углеродистой стали нужна диффузия углерода. Маленькие атомы углерода перемещаются в кристаллической решетке железа легко. А для распада аустенита легированной стали должна пройти диффузия легирующих элементов. Их атомы по размеру сравнимы с атомами железа, и диффузия идет медленнее. Переохлажденный аустенит оказывается устойчивее.
Углеродистая Низколегированная Высоколегированная Легированная
сталь (закалка сталь (закалка в масле) сталь (закалка на воз- Ni или Mn
в воде) духе) сталь (не зака-
ливается)
Vкр3 << Vкр2 << Vкр1; сталь 4 – аустенитного класса, точка Mн < 0 °С.
Поэтому легированные стали можно закаливать с меньшей скоростью охлаждения, в более мягких средах. Это уменьшает деформацию изделий и опасность образования трещин.
4. Снижая критическую скорость охлаждения, легирующие элементы увеличивают прокаливаемость стали, особенно при комплексном легировании. Есть стали, которые прокаливаются в любом сечении. Поэтому для крупных ответственных деталей и для мелких деталей сложной формы применяют только легированные стали.
5. Легирующие элементы измельчают зерно стали. Это способствует увеличению прочности, пластичности, ударной вязкости, снижает порог хладноломкости. Десятые доли процента ванадия, титана, ниобия, циркония особенно сильно измельчают зерно, так как образуют трудно растворимые в аустените карбиды.
6. Легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита к отпуску. После отпуска при одинаковой температуре легированные стали будут прочнее (легирующие элементы упрочняют феррит и образуют более мелкие карбидные частицы, чем цементит).
7. Легирующие элементы придают сталям особые физические и химические свойства: коррозионную стойкость, высокую упругость, износостойкость, способность не окисляться при нагреве, особые магнитные свойства и т.п.