Влияние легирующих элементов на равновесную структуру сталей

В машино- и приборостроении широкое применение находят стали, в которых помимо железа, углерода и постоянных примесей содержатся специально вводимые добавки других элементов, чаще всего металлов. Эти добавки принято называть легирующими элементами, а стали, соответственно, легированными сталями.

В качестве легирующих элементов наиболее часто используют; Cr , Ni , Mn , Si , Mo , W , V , Ti , Nb. Реже используются Cr , Al , Cu , B.

Почти все легирующие элементы изменяют температуры полиморфных превращений железа, температуру эвтектоидной и эвтектической реакции и влияют на растворимость углерода в аустените. Некоторые легирующие элементы способны взаимодействовать с углеродом и азотом, а также между собой или с железом, образуя промежуточные фазы интерметаллиды.

Принято температуры равновесных превращений, совершающихся в железе и сталях в твердом состоянии, обозначать буквой А с соответствующим индексом. Температуры фазового равновесия указаны на диаграмме состояния Fe – Fe 3 C, поэтому обозначения связаны с линиями этой диаграммы (см. рис. 5.1).

Эвтектоидную температуру (линия PSK) обозначают А1, температуру магнитного превращения (линия MO) – А2, температуру линии GSА3, температуру полиморфного превращения Fe γ Fe ɑ (линия NJ) – А4, температуру линия SEА cm.

Вследствие гистерезиса температуры превращений при нагреве всегда выше соответствующих температур при охлаждении, поэтому введена дополнительная индексация: при нагреве – индекс с, при охлаждении – индекс r. Магнитное превращение не имеет гистерезиса.

По влиянию на температуры А3 и А4 легирующие элементы можно разбить на две группы. Равновесные температуры А3 и А4 для чистого железа равны соответственно 911 и 1392ºС. В интервале указанных температур устойчива модификация Fe γ с ГЦК решеткой.

В первую группу входят элементы, которые понижают температуру А3 и повышают температуру А4. К ним относятся Ni , Mn , C , N и др.

В сплавах железа с никелем, марганцем и кобальтом γ-область «открывается», т.е. в определенном интервале температур существует неограниченная растворимость компонентов в твердом состоянии – твердые растворы с ГЦК решеткой. При этом температура А3 при определенной концентрации добавки понижается ниже нуля. На рис. 5.9 показан участок диаграммы Fe – легирующий элемент с открытой γ-областью.  В сплавах с концентрацией добавки, равной или превышающей концентрацию точки b, ГЦК решетка устойчива при 20 –- 25ºС; такие сплавы называют аустенитными сталями. Таким образом, аустенитом называют не только твердый раствор углерода в Fe γ, но и любые твердые растворы на основе Fe γ.

Во вторую группу входят элементы, которые повышают температуру А3 и понижают А4. В этом случае температурный интервал устойчивости аустенита уменьшается и соответственно расширяется температурный интервал устойчивости Fe ɑ. Таких легирующих элементов большинство: Cr , Mo , W , V , Si , Ti и др.

Все перечисленные элементы образуют с железом диаграмму с «замкнутой» γ-областью (рис. 5.10). концентрация, соответствующая точке с, для большинства элементов невелика (до 1 – 1,5%), и лишь для хрома аустенитная область простирается до 12% (рис. 5.11).

Из перечисленных элементов, дающих замкнутую γ-область, только хром и ванадий не образуют с железом промежуточных фаз, и поэтому α-область «открывается»: наблюдается неограниченная растворимость этих элементов в железе с ОЦК решеткой (см. рис. 5.10, а). остальные легирующие элементы, замыкающие область, образуют с железом промежуточные фазы, поэтому при определенных концентрациях легирующего элемента на диаграммах появляется линия, ограничивающая растворимость, правее которой расположены двухфазные области (см. рис. 5.10, б). однофазные сплавы с ОЦК решеткой, устойчивой при всех температурах вплоть до солидуса, называют ферритными сталями. Таким образом, ферритом называют не только твердый раствор углерода в Fe ɑ, но и любые твердые растворы на основе Fe ɑ.

При добавлении в сплав углерода точка с (см. рис. 5.10, б) чаще всего сдвигается в сторону большей концентрации добавки.

Дата: 2019-02-18, просмотров: 160.