На твердость (а) и ударную вязкость (б) феррита

Влияние легирующих элементов на механические свойства сталей

Влияние легирующих элементов на механические свойства стали зависит от ее структурного состояния, которое определяется термической обработкой. Рассмотрим это влияние для двух структурных состояний стали.

1. После закалки на мартенсит и низкого отпуска свойства легированной стали определяются концентрацией углерода в мартенсите. Чем она выше, тем больше прочность и твердость, ниже ударная вязкость, выше склонность к хрупкому разрушению стали. Максимальное упрочнение достигается при 0,4%С (рис. 5). При большей концентрации углерода происходит хрупкое разрушение стали, о чем свидетельствуют низкие значения ударной вязкости.

Легирующие элементы влияют на механические свойства косвенно, увеличивая или уменьшая концентрацию углерода в мартенсите.

Рис. 5. Влияние концентрации углерода

на механические свойства закаленных низколегированных сталей

Карбидообразующие элементы (Сr, Мо, W, V) увеличивают прочность связи атомов углерода с атомами твердого раствора, снижают термодинамическую активность (подвижность) атомов углерода, способствуют увеличению его концентрации в мартенсите, т.е. упрочнению.

Некарбидообразующие элементы (Ni, Si, Cu, Co), наоборот, увеличивают термодинамическую активность атомов углерода, снижая тем самым концентрацию угле-рода в твердом растворе. Особенно активно действует никель, предупреждая излишнюю хрупкость мартенсита.

2. После закалки и высокого отпуска (улучшения) структура стали представляет собой сорбит – ферритно-карбидную смесь с зернистой формой карбидной фазы. Высокие механические свойства сорбита обусловлены влиянием легирующих элементов на прочность феррита, а также дисперсность и количество карбидной фазы.

Феррит – основная структурная сталей, во многом определяющая их свойства. Легирующие элементы, растворяясь в феррите, упрочняют его. Свойства феррита зависят от непосредственного и косвенного влияния легирующих элементов. Непосредственное влияние связано с искажением кристаллической решетки феррита.

Наиболее сильно повышают твердость медленно охлажденного (нормализованного) феррита (рис. 6, a) Si, Mn, Ni, т.е. элементы, имеющие отличную от a–Fe кристаллическую решетку. Слабее влияют Мо, V и Сr, решетки которых изоморфны a–Fe.

Рис. 6. Влияние легирующих элементов

на твердость (а) и ударную вязкость (б) феррита

Косвенное влияние связано с увеличением концентрации углерода в феррите отпущенной стали. Сильное упрочняющее действие оказывают кремний и карбидообразующие элементы, которые затрудняют распад мартенсита и выделение из него углерода в виде дисперсных частиц карбидов. Чем сильнее выражена склонность легирующего элемента к карбидообразованию, тем позднее выделяется углерод из феррита и сильнее его упрочняющее действие. По степени увеличения косвенного влияния на прочность феррита легирующие элементы располагаются в следующей последовательности: Сr, Мо, W, Nb, V, Ti. При совместном легировании упрочняющий эффект возрастает.

Карбидообразующие элементы упрочняют феррит через карбидную фазу. Ее упрочняющее влияние растет по мере увеличения концентрации углерода и карбидообразующих элементов в стали.

Упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, большинство легирующих элементов снижают его ударную вязкость, особенно если их концентрация выше 1% (см. рис. 6, б). Исключение составляет никель. Марганец и хром при содержании до 1% повышают ударную вязкость; при большей концентрации она снижается, достигая уровня нелегированного феррита примерно при 3% Сr и 1,5% Мn.

Большинство легирующих элементов измельчают зерно, что способствует повышению работы развития трещины и снижению порога хладноломкости. Наиболее сильно понижает порог хладноломкости и увеличивает сопротивление распространению трещины никель. Введение 1,0% Ni снижает порог хладноломкости после термического улучшения стали на 60–80 °С. Остальные элементы, за исключением небольших добавок хрома, марганца и молибдена, повышают порог хладноломкости.

Таким образом, для обеспечения высокой конструкционной прочности количество легирующих элементов в стали должно быть рациональным.

Хром вводят в количестве до 2,0%. Растворяясь в феррите и цементите, он оказывает благоприятное влияние на механические свойства стали, что предопределило его широкое применение в конструкционных сталях.

Никель – наиболее ценный и в то же время наиболее дефицитный легирующий элемент. Его добавляют в количестве от 1,0 до 5,0%.

Марганец вводят в количестве до 1,5% и часто используют нередко как заменитель никеля. Он заметно повышает предел текучести стали, однако делает ее чувствительной к перегреву, поэтому для измельчения зерна вместе с марганцем вводят карбидообразующие элементы.

Кремний – некарбидообразующий элемент, количество которого ограничивают 2,0%. Кремний сильно повышает предел текучести, несколько затрудняет разупрочнение стали при отпуске; снижает вязкость и повышает порог хладноломкости при содержании Si свыше 1,0%.