Главная  Промышленность 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 [ 19 ] 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65

рода 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 наиболее часто используют следующие элементы: Сг, Ni, Мп, Si, Mo, W, V, Ti, Co, Nb. Реже используются Al, Cu, В и некоторые другие.

Почти все легирующие элементы изменяют температуры полиморфных превращений железа, температуру эвтек-тоидной и эвтектической реакций и влияют на растворимость углерода в аустените. Некоторые легирующие элементы способны так же, как и железо, взаимодействовать с углеродом, образуя карбиды, а также взаимодействовать друг с другом или с железом, образуя промежуточные фазы - интерме-таллиды.

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-FcjC, поэтому обозначения связаны с линиями этой диаграммы (см. рис. 3.12).

Эвтектоидную температуру (линия PSK) обозначают А, температуру магнитного превращения А 2 (линия МО), температуру линии GS-A, температуру полиморфного превращения Fe Fe„ (линия NJ)~A, температуру линии SE-A,„,.

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

По влиянию на температуры А и А легирующие элементы можно разбить на две группы. Равновесные температуры Аз и А4 для чистого железа равны

соответственно 911 и 1392 °С. В интервале указанных температур устойчива модификация Fe с ГЦК решеткой.

В первую группу входят элементы, которые понижают температуру А и повышают температуру А. К ним относятся Ni, Мп, С, N и др.

В сплавах железа с никелем, марганцем и кобальтом 7-область «открывается», т. е. в определенном интервале температур существует неограниченная растворимость компонентов друг в друге в твердом состоянии-твердые растворы с ГЦК решеткой. При этом температура Аз при определенной концентрации добавки понижается ниже нуля. На рис. 3.20 показан участок диаграммы Fe-ле-гирующий элемент с открытой 7-областью. В сплавах с концентрацией добавки, равной или превышающей концентрацию, соответствующую точке Ь, ГЦК решетка устойчива при температуре 20-25°С; такие сплавы называют аустенитными сталями. Таким образом, аустенитом называют не только твердый раствор углерода в Fe, но и любые твердые растворы на основе Fe,.

Во вторую группу входят элементы, которые повышают температуру A3


Легирующий.

Рис. 3.20. Диаграмма состояния железо- легирующий элемент с открытой у-областью (схема)



t°C

t°C


Легирую/мий. элемент

Легирующий элемент

Рис. 3.21. Диаграмма состояния железо - легирующий элемент с замкнутой у-обла-стью:

а ~ открытая а-сбласть; 6 - закрытая а-сбласть (схема)

и понижают температуру Aj. В этом случае температурный интервал устойчивости аустенита уменьшается и, соответственно, расширяется температурный интервал устойчивости Fe„. Таких легируюших элементов большинство: Сг, Мо, W, V, Si, Ti и др.

Все перечисленные элементы образуют с железом диаграмму с «замкнутой» у-областью (рис. 3.21). Концентрация, соответствующая точке с, для большинства элементов невелика (до 1-1,5%), и лишь для хрома аустенитная область простирается до 12% (рис. 3.22).

Из перечисленных элементов, дающих замкнутую у-область, только хром и ванадий не образуют с железом промежуточных фаз, и поэтому а-область «от-крьшается»: наблюдается неограниченная растворимость этих элементов в железе с ОЦК решеткой (см. рис. 3.21, а). Остальные легирующие элементы, замыкающие область, образуют с железом промежуточные фазы, поэтому при определенных концентрациях добавки на диаграммах появляется линия, ограничивающая растворимость.

правее которой расположены двухфазные области (см. рис. 3.21,6).

Однофазные сплавы с ОЦК решеткой, устойчивой при всех температурах вплоть до солидуса, называют фер-ритными сталями. Таким образом, ферритом называют не только твердый раствор углерода в Ее,, но и любые твердые растворы на основе Ее„.

При добавлении в сплав углерода точка с (см. рис. 3.21, б) чаще всего сдвигается в сторону большей концентрации добавки.

Карбиды в легированных сталях.

К карбидообразующим относятся переходные металлы с недостроенной rf-электронной оболочкой. Чем меньше электронов на оболочке, тем больше сродство к углероду.

В сталях карбидообразующими являются следующие элементы: Ее, Мп, Сг, Мо, W, V, Nb, Ti (элементы перечислены в порядке возрастания их карби-дообразующей способности).

При введении в сталь карбидообра-зующего элемента в небольшом количестве (десятые доли процента; для несильных карбидообразователей -1-2 %) образования карбида этого элемента чаще всего не происходит. В этом случае атомы легирующего элемента частично замещают атомы железа в пространственной решетке цементита; образуется легированный цементит, мало отличающийся по свойствам от обычного цементита.


2 i 6 8 W /2 % /Легирующий элемент

Рис. 3.22. Влияние легирующих элементов на протяженность замкнутой у-области



Карбида марганца не образуется при любых содержаниях марганца.

Формулу легированного цементита записывают обычно как (Fe, CrjjC или (Fe, Мп)зС или в общем виде McjC. Последняя формула подчеркивает, что в карбидах цементитного типа на три металлических атома приходится один атом углерода.

Сильные карбидообразователи-Мо, W, V, Nb, Ti-образуют с углеродом фазы внедрения. При этом чаще всего карбиды имеют формулу МС, т. е. на один металлический атом приходится один атом углерода. При известных условиях W и Мо образуют карбиды, более богатые металлом-М2С.

Фазы внедрения, отличающиеся очень высокой тугоплавкостью, практически нерастворимы в аустените.

Для распада и растворения таких карбидов, как Tie, NbC, WC, сталь необходимо нагреть до температуры ~1300°С. Вследствие нерастворимости фаз внедрения происходит обеднение аустенита углеродом при легировании стали сильными карбидообразователя-ми.

Промежуточное положение по карби-дообразующей способности занимает хром, который наиболее щироко, по сравнению с другими элементами, используется как легирующая добавка в сталях.

Хром в низко- и среднелегированных сталях (до 10%) образует карбид сг7с3; в высоколегированных сталях образуется более богатый хромом карбид СггзСб. Карбиды хрома могут растворять железо и легирующие элементы стали в значительном количестве, поэтому часто в общем виде формулы этих карбидов записываются как М7С3 и МгзСб.

Хром оказывает влияние на карби-дообразование при совместном его введении с молибденом и вольфрамом. При определенном соотнощении хрома и молибдена (вольфрама) не образуются фазы внедрения (МоС, WC), а вместо

них появляются сложные карбиды, содержащие хром, молибден (вольфрам) и железо с формулой MgC. Карбиды типа MgC, в отличие от фаз внедрения, растворимы в аустените, хотя для их растворения требуются еще более высокие температуры и более длительные выдержки, чем для растворения карбидов хрома.

Таким образом, в зависимости от легирующего элемента и его количества в структуре легированных сталей могут встретиться следующие типы карбидов: хорощо растворимые в аустените карбиды типа М3С, более трудно растворимые карбиды типов М7С3, М23С6 и MgC и почти нерастворимые в твердом состоянии карбиды типа МС.

Влияние легирующих элементов на температуры фазовых превращений сталей при нагреве и на состав точек S и Е диаграммы. Легирующие элементы, понижающие температуру в безуглеродистых сплавах (Ni и Мп), смещают линии PSK, GS и SE диаграммы Ге-ГСзС в сторону более низких температур (см. рис. 3.12).

Легирующие элементы, повьшающие температуру А в безуглеродистых сплавах, оказывают обратное влия-

/200

/ООО 900 S00 700 600 500

МО J ,Si

У Сг

1 1 1

0 2 * 6 8 /0 -/0 Легирующий элемент

Рис. 3.23. Влияние легирующих элементов на температуру Ас



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 [ 19 ] 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65