Полиморфные состояния железа при образовании твердых растворов введением легирующих элементов смещаются по температуре. Все леги- рующие элементы по влиянию на полиморфные состояния железа можно разделить на две группы (рис. 9.1):

· расширяющие область Fe_γ (или легированного аустенита);

· сужающие область Fe_γ.

Рис. 9.1. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа

К первой группе относятся никель, марганец, кобальт, медь. Точка А₃ железа с увеличением содержания этих элементов снижается, расширяя область существования Fe_γ на диаграмме «Железо – легирующий эле- мент». Такое состояние сплава может существовать от температуры плав-

ления до весьма низких отрицательных температур. Такие стали называ- ются аустенитными. Примером может служить износостойкая сталь 110Г13Л, содержащая 13 % марганца.

Ко второй группе относятся кремний, хром, вольфрам, молибден, алюминий, ванадий, титан. Точка А₃ железа с увеличением содержания этих элементов повышается, расширяя область Fe_α и сужая область Fe_γ. Область Fe_α легированного феррита также может существовать от темпе- ратуры плавления до весьма низких отрицательных температур. Такие стали называются ферритными. Примером может служить жаростойкая сталь Х25.

Свойства феррита существенно изменяются при введении легирую- щих элементов. Причиной изменения свойств является размерное несоот- ветствие атомов легирующих элементов и железа, приводящее к искаже- нию кристаллической решетки железа, возникновению внутренних напря- жений и торможению движения дислокаций. Прочность и твердость фер- рита возрастает, а ударная вязкость снижается (рис. 9.2). Исключением яв- ляется хром (до 3 %) и никель, с введением которых ударная вязкость воз- растает.

Кроме того, добавки никеля до 6% снижают температурный порог хладноломкости железа до – 200 °С. Поэтому детали механизмов и машин, работающих при низких температурах, изготавливаются из сталей с до- бавками никеля. Остальные элементы существенно повышают темпера- турный порог хладноломкости, что ухудшает надежность работы деталей при низких температурах из-за увеличения вероятности их разрушения.

Рис. 9.2. Влияние легирующих элементов на свойства феррита: а – твердость; б – ударная вязкость

Важнейшими точками диаграммы «Fe–Fe₃C», позволяющими класси- фицировать железоуглеродистые стали, являются точки S и E. Большинст- во легирующих элементов сдвигают эти точки в сторону меньшего содер- жания углерода, что означает смещение границ для сталей и чугунов. На-

пример, при введении 5% хрома доэвтектоидные стали содержат до 0,6% углерода, эвтектоидные – 0,6%, заэвтектоидные – от 0,6 до 1,5%. Свыше 1,5% углерода – в структуре стали появляется ледебурит, поэтому такие стали названы ледебуритными. Эти стали, обладая высокой износостойко- стью, используются для изготовления холодных штампов. Аналогичные закономерности наблюдаются у сталей с добавками вольфрама и молибде- на, которые используются для изготовления быстрорежущего инструмен- та.

Кроме того, в легированных сталях совместное влияние углерода и ле- гирующих элементов на точки А₁, А₃, А_сm весьма сложное, поэтому темпе- ратура этих точек для каждой стали определяется экспериментально. Зна- ние этих точек необходимо для назначения режимов термической обра- ботки, например, для сравнения (из марочника сталей):

– сталь 45 имеет А_С1 = 730 °С, а А_С3 = 755 °С;

– сталь 45Х имеет А_С1 = 735 °С, а А_С3 = 770 °С;

– сталь 45ХН имеет А_С1 = 750 °С, а А_С3 = 790 °С;

– сталь 45ХН2МФА имеет А_С1 = 735 °С, а А_С3 = 825 °С.

Рис. 9.3. Диаграммы изотермического распада аустенита:

а – углеродистая (1, область А_п →Ф + Ц) и легированная не карбидообразующими элементами (2, область А_п →Ф + К) стали; б – углеродистая (1) и легированная

карбидообразующими элементами (2, область А_п →Ф + К) стали

Легирующие элементы существенно влияют на поведение переохлаж- денного аустенита. Влияние легирующего элемента на изотермический распад аустенита, а также на его распад при непрерывном охлаждении вы- ражается в увеличении устойчивости переохлажденного аустенита. С– образные области (диффузионные и частично диффузионные превраще- ния) на изотермических и термокинетических диаграммах сдвигаются вправо по оси времени, что обусловлено меньшей диффузионной подвиж- ностью атомов легирующих элементов (кроме кобальта) по сравнению с атомами углерода (рис. 9.3). Причем, при введении некарбидообразующих элементов (никель, марганец, кремний) форма С-образной области остает-

ся такой же, как и для углеродистой стали. Введение же карбидообразую- щих элементов (хром, вольфрам, молибден) изменяет вид С–образной об- ласти – выделяются области диффузионного и частично диффузионного превращений и между этими областями аустенит может иметь аномально высокую устойчивость.

В целом увеличение устойчивости переохлажденного аустенита по- вышает прокаливаемость легированных сталей. Введение отдельных эле- ментов, например, бора 0,001–0,005%, может увеличить прокаливаемость в десятки раз.