Влияние легирующих элементов на механические свойства сталей 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 уже при 0,4%C (рис. 13. 11.). При большей концентрации углерода показатели прочности становятся нестабильными из-за хрупкого разрушения стали, о чем свидетельствуют низкие значения ударной вязкости.
Легирующие элементы влияют на механические свойства косвенно, увеличивая или уменьшая концентрацию углерода в мартенсите. Связано это с изменением термодинамической активности углерода αС, определяемой соотношением
αС = γN,
где γ – коэффициент термодинамической активности, характеризующий силу связи атомов углерода с атомами твердого раствора, т.е. его подвижность; N – содержание углерода, % (ат.).
Карбидообразующие элементы (Cr , Mo , W , V) увеличивают прочность связи 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 углерода в твердом растворе. Особенно активно действует никель, предупреждая излишнюю хрупкость мартенсита.
2. После закалки и высокого отпуска (улучшения) структура стали представляет собой сорбит – феррито-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 составляющая (не менее 90% (об.)) сталей, во многом определяющая их свойства. Легирующие элементы, растворяясь в феррите, упрочняют его. Свойства феррита зависят от непосредственного влияния легирующих элементов. Непосредственное влияние связано с искажением кристаллической решетки феррита. Его оценивают по формуле
Где G – модуль сдвига; ε – коэффициент размерного несоответствия,
где rFe, r л.э.– радиус атома железа и легирующего элемента соответственно; C – концентрация легирующего элемента.
Из приведенного соотношения следует, что упрочнение растет по мере увеличения концентрации растворенного легирующего элемента и различия в атомных радиусах железа и этого элемента. Наиболее сильно повышают твердость медленно охлажденного (нормализованного) феррита (рис. 13.12, а) Si , Mn , Ni, т.е. элементы, имеющие отличную от Feα кристаллическую решетку. Слабее влияют Mo , V и Cr, решетки которых изоморфны Feα.
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. При одинаковой температуре отпуска феррит легированной стали содержит больше углерода, чем феррит углеродистой стали. Чем сильнее выражена сколонность 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: Cr , Mo , W , Nb , V , Ti. При совместном легировании упрочняющий эффект возрастает.
Карбидообразующие элементы упрочняют феррит также через карбидную фазу. В легированных сталях она более дисперсна, чес в углеродистых. 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% (рис. 13.12, 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%Cr и 1,5%Mn.
Большинство легирующих элементов измельчают зерно, что способствует повышению работы развития трещины и снижению порога хладноломкости.
При одинаковом размере зерна легирующие элементы оказывают индивидуальное влияние на температуру перехода в хрупкое состояние и работу развития трещины. Наиболее сильно понижает порог хладноломкости и увеличивает сопротивление распространению трещины никель. Введение 1%Ni снижает порог хладноломкости после термического улучшения стали на 60 – 80 и увеличивает критерий К1с на 10 – 13 МПа м1/2. Такое благоприятное влияние обусловлено тем, что никель, снижая энергию взаимодействия дислокаций с атомами внедрения, облегчает их подвижность. 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%. 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 до 5%.
Марганец вводят в количестве до 1,5% и 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%. Кремний сильно повышает предел текучести, несколько затрудняет разупрочнение стали при отпуске; снижает вязкость и повышает порог хладноломкости при содержании Si свыше 1%.
Молибден и вольфрам – дорогие и остродефицитные карбидообразующие элементы, которые большей частью находятся в карбидах. Основная цель введения 0,2 – 0,4% Mo и 0,8 – 1,2%W – уменьшение склонности к отпускной хрупкости второго рода, улучшение свойств комплексно легированных сталей в результате измельчения зерна, повышения стойкости к отпуску, увеличения прокаливаемости.
Ванадий и титан – сильные карбидообразователи. Их добавляют в небольшом количестве (до 0,3%V и 0,1%Ti) в стали, содержащие хром, марганец, никель, для измельчения зерна. Повышенное содержание этих элементов (так же, как Mo и W) недопустимо, из-за образования специальных трудно растворимых при нагреве карбидов. Избыточные карбиды снижают прокаливаемость и, располагаясь по границам зерен, способствуют хрупкому разрушению.
Бор добавляют в микродозах (0,002 – 0,005%) для увеличения прокаливаемости. Микролегирование бором эквивалентно введению 1%Ni, 0,5%Cr или 0,2%Mo.
Дата: 2019-02-18, просмотров: 3063.