Влияние легирующих элементов на структуру и свойства структурных составляющих в стали

 

Легирующие элементы—это элементы, специально вводимые в сталь для получения заданных характеристик кристаллизации, структуры, физико-химических, механических и специальных свойст50в (жаростой­кость, жаропрочность, износо-, хладо-, коррозионностойкость и др.).

Обычно считают, что к легирующим относятся элементы с содержа­нием в стали более 0, 1 %, а к микролегирующим — с содержанием менее 0, 1%.

В качестве легирующих элементов обычно используют хром, никель, марганец, кремний, вольфрам, молибден, ванадий, титан, ниобий, реже — цирконий, алюминий, азот, медь, кобальт, РЗМ. Качественная оценка влияния легирующих элементов на свойства литой стали приве­дена в табл. 1.1. Легирующие элементы условно можно классифициро­вать по следующим трем признакам:

— строению атомно-кристаллической решетки;

— отношению к содержащемуся в стали углероду;

— влиянию на положение критических точек железа.

• По строению атомно-кристаллической решетки можно выделить
три группы элементов:

элементы с решеткой, родственной -Fe (ГЦК): Ni, Сu, Al, Mn и др., введение которых способствует формированию в структуре аустенита,, или продуктов его неравновесного распада;

элементы с решеткой, родственной -Fe (ОЦК): Сг, V, Mo, Si, Nb, W и др. (кремний внесен в эту группу условно, он имеет очень сложную кристаллическую решетку). Их введение способствует стабилизации в структуре сталей феррита;

элементы с гексагональной атомно-кристаллической решеткой (в виде шестигранной призмы): Ti, Zr, Co, Hf, Y и др.

• В сталях взаимодействие легирующих элементов с железом изменяется под влиянием углерода. Легирующие элементы распределяются
между твердыми растворами на основе -Fe и -Fe и карбидами. По срод­ству к углероду их делят на:

карбидообразующие, которые по увеличению сродства к углероду можно расположить в следующий ряд: Fe, Mn, Cr, Mo, W, Nb, V, Zr, Ti, Се. Эти элементы в Периодической системе Д. И. Менделеева располо­жены левее железа и в сталях образуют карбиды или участвуют вместе с железом в их образовании. Карбидообразующая способность элемен­тов зависит от электронного строения и атомного радиуса: чем меньше достроены внутренние электронные оболочки и больше атомный объем элемента, тем прочнее и устойчивее его карбиды;

некарбидообразующие: Ni, Co, Al, Si, Сu. Эти элементы расположе­ны правее железа в Периодической системе. Они растворяются в железе, понижают устойчивость цементита и карбидов других элементов; в присутствии определенного количества таких элементов

 

 

 

18

после соответствующей термической обработки (отжиг) весь имеющийся цементит может полностью разложиться.

• По влиянию на критические точки железа можно выделить две груп­пы легирующих элементов:

элементы, расширяющие -область (рис. 1.5, a, б): Ni, Cu, Mn, С, N; расширение -области будет происходить, если элемент повышает точ­ку А₄ и понижает А₃; при этом возможно существование -фазы во всем интервале концентраций (расширенная -область);

 

 

 

элементы, сужающие (замыкающие) -область (рис. 1.5, в, г): Al, Si, V, Сг, Mo, W, Ti, Р и др.; сужение -области будет происходить в том случае, если легирующий элемент понижает точку А₄ и повышает А_з (рис. III Введения); при определенном содержании элемента точки А₄ и Аз совладают, и область -Fe исчезает (оказывается замкнутой). Такие стали от 0°С до расплавления сохраняют решетку, -Fe, т. е. являются во всем интервале температур ферритными.

Эффективность легирования, зависит от распределения легирующих элементов между твердым раствором (ферритом, аустенитом), карбида­ми, интерметаллидами, неметаллическим включениями, т. е. между зер­ном и межкристаллитным слоем.

Распределение легирующего элемента можно оценить с помощью коэффициента распределения К_р — частного от деления предельной рас­творимости элемента в твердой стали С_тв на его предельную раствори­мость в жидкой стали С_ж:

 

 

Коэффициент распределения может быть как меньше, так и больше
единицы, в зависимости от типа диаграммы состояния-системы Fe—Э
(рис. 1.6). Величина коэффициента распределения зависит от концентрации и температуры и пцказъдвает; в какой части зерна и с какой интенсивностью изменяется при/первичной кристаллизации концентра­ция данного легирующего элемента. При эвтектическом превращении и нисходящем непрерывном растворе (рис. 1.6, а, *) содержание элемента увеличивается по границам зерен (K_f < 1); при перитектическом превращении и восходящем растворе концентрация возрастает в зерне и снижается по его границам (рис. 1.6-, б, г) (К_р > 1). Можно считать, что коэф­фициент распределения показывает, в какой степени данный элемент ликвирует к границе зерен. Чем меньше величина К_Р, тем выше концентрация элемента по границе зерна, и следует ожидать снижения свойств стали в отливке.

 

Легирующие элементы в стали могут присутствовать:

— в свободном состоянии;

— растворенными в железе;

— в карбидах и нитридах;

— в интерметаллидах;

— в неметаллических включениях.

Большинство элементов, используемых для легирования, имеют Кр < 1. Анализ диаграмм состояния Fe—ЛЭ дает следующие значения Кр (данные Чипмана):

Элемент. С О S РВ Si Mn Cu N Н Сг Ni

К_р ............ 0, 13 0, 10 0, 02—0, 05 0, 13 0, 05 0, 66 0, 84 0, 56 0, 28 0, 32 0, 95 0, 80

Случай, когда легирующий элемент присутствует в стали в свобод­ном состоянии (за исключением свинцовых и медистых сталей), встре­чается весьма редко и подробного рассмотрения не требует.

Растворяться в железе в значительных количествах может большин­ство легирующих. Элементы, расположенные в Периодической системе левее железа, распределяются между твердым раствором на основе Fe и неметаллическими фазами (карбиды, нитриды), а расположенные пра­вее (Со, Ni, Сu и др.) образуют только растворы с железом и не входят в карбиды.

Легирующие элементы, за исключением С, N, Н₂, О₂, В, образуют с железом твердые растворы замещения, оказывая влияние на положение точек Аз и А₄ на диаграмме состояния Fe—Fe₃C, и таким образом опре­деляют температурные области существования -Fe (феррита) и -Fe (аустенита).

Фазы внедрения элемента (С, N и др.) образуются, если соотноше­ние

где г — радиус атома.

При растворении в твердом растворе легирующие элементы изменя­ют параметры; его решетки. Это изменение тем больше, чем больше разни­ца между размерами атомов легирующего элемента и железа (рис. 1.7, а).

21

С достаточно высокой достоверностью для феррита можно написать, что

 

или (1.1)

 

 

где а _т.р., а₀ — периоды решеток твердого раствора и железа соответственно; — изменение периода решетки феррита; К—коэффициент, показывающий, на какую величину изменяется период решетки железа при введении 1 % легирующего элемента; С_л.э. — концентрация легирующего элемента.

Значения коэффициента К, рассчитанные по данным Миркина и Пирсона, для некоторых элементов приведены ниже:

Легирующий элемент ………….… Cr Ni Мn Мо W Al Nb

К*10³ ……………………………… 0, 3 0, 3 0, 5 2, 6 3, 2 2, 9 2, 9

Количественная оценка упрочнения -железа возможна на основе аддитивного вклада в его упрочнение отдельных легирующих элементов:

 

(1.2)

 

где — прирост предела текучести феррита, МПа; К_i^Ф — коэффициент упрочнения феррита, представляющий собой прирост предела текучести при растворении в нем 1 % (по массе) i-того легирующего элемента; С — концентрация i-того легирующего элемента, растворенного в феррите, % (по массе).

Значения К_i^Ф для легирующих элементов, входящих в состав феррита, приведены ниже:

 

 

Изменение размеров решетки феррита приводит к изменению его свойств: прочность и твердость увеличиваются, а пластичность падает (рис. 1.7, 6, в). Хром, молибден, вольфрам упрочняют феррит меньше, чем никель, кремний, марганец. Молибден, вольфрам, а также кремний и марганец (при содержании 1, 0%) снижают вязкость феррита. Хром уменьшает вязкость феррита значительно слабее перечисленных элементов, а никель не понижает ее.

Прочность феррита существенно зависит от размеров зерна d и описывается соотношением Холла—Петча:

(1.3)

где σ _т — напряжение трения или предел текучести в отсутствие сопротивления со стороны границы, т. е. предел текучести монокристалла;

Ку - коэффициент, характеризующий вклад границ зерен в упрочнение;

d — размер зерна (диаметр).

 

Соотношение (1.3) показывает, что чем меньше размер зерна, тем выше прочность феррита и стали в целом.

Важнейшей характеристикой легированных сталей для отливок, особенно работающих в условиях пониженных и низких температур, является величина порога хладноломкости, или температура перехода от вязкого разрушения к хрупкому t_кр Эта температура характеризует склонность стали разрушаться хрупко. Чем выше значение этой температуры, тем выше склонность стали к хрупкому разрушению.

Критическая температура хрупкости также зависит от размера зерна: чем меньше зерно, тем менее склонна сталь к хрупкому разрушению, а это значит, что отливки из мелкозернистой стали могут работать при более низких температурах, чем из крупнозернистой стали того же со става.

Многочисленные исследования легированного феррита показывают, что его упрочнение при легировании увеличивает склонность к хрупким разрушениям. Однако влияние легирующих элементов на ‚ индивидуально (рис. 1.8).

В области малых концентраций легирующих элементов, образующих растворы замещения, % несколько снижается, а при большом их содержании заметно повышается. Исключение составляет никель, который во всем интервале концентраций заметно снижает склонность феррита к хрупкому разрушению. Концентрация легирующих элементов, при которой порог хладноломкости снижается, составляет для V и Сr < 1%, Si < 0, 8%, Мn < 2, 0%. В реальных сталях эти значения

будут другими.

Таким образом, из рассмотренных элементов, наиболее часто встречающихся в легированных сталях, особенно ценным является никель. Он упрочняет феррит достаточно интенсивно, не снижает вязкость, понижает порог хладноломкости. другие элементы, если не снижают вязкость, то слабо упрочняют феррит (Сr) либо, сильно упрочняя феррит, резко снижают его вязкость (Мn, Si).

В простых углеродистых сталях аустенит как стабильная структурная составляющая существует лишь при температуре выше А₃ (за исключением остаточного аустенита). В легированных и высоколегированных сталях, благодаря влиянию легирующих элементов на расширение γ -области, аустенит может быть одной из главных структурных составляющих сталей в состоянии их эксплуатации.

 

Поэтому знание свойств легированного аустенита наиболее важно для высоколегированных сталей со специальными свойствами (жаропрочных, износо-, коррозионно- и жаростойких, немагнитных и др.).

Свойства аустенитных сталей при легировании могут быть изменены как вследствие влияния элементов на свойства собственно твердого раствора аустенита, так и вследствие стабилизации аустенита. Изменение периода решетки аустенита и его свойств подчиняется закономерностям, приведенным для феррита.

Легированный аустенит бывает стабильным и нестабильным. При температуре выше начала мартенситного превращения М_н нестабильный аустенит способен к фазовому превращению — образованию мартенсита в результате приложения внешней нагрузки (деформации), т. е. деформация нестабильного аустенита вызывает мартенситное превращение. Стабильный аустенит не претерпевает фазового превращения под влиянием деформации. В зависимости от того, какие легирующие элементы входят в состав аустенита и каково их количество, изменяется устойчивость аустенита к распаду при деформации, т. е. степень его не- стабильности.

Изменение свойств собственно аустенита при легировании описывается теориями упрочнения твердых растворов. Так, упрочнение, определяемое параметром несоответствия кристаллических решеток Δ а, иллюстрируется рис. 1.9. Упрочнение аустенита тем больше, чем больше Δ а.

Для элементов внедрения (С, N) и замещения (Mn, V, Со, Мо, W, Сr, Ni, Si) эффективность упрочнения при одинаковых значениях Δ а различна. Максимальное упрочнение достигается при легировании аустенита азотом. В отличие от α -Fe растворимость азота в γ -Fе значительно выше и может достигнуть 1% при комнатной температуре.

Эффективность влияния легирующих элементов на свойства аустенита определяется базовыми аустенитными композициями, на которых он основан. Такими основными композициями являются: Fe-Mn, Fe-Ni, Fe-Mn-Ni, Fe-Cr-Mn, Fe-Cr-Ni, Fe-Mn-Cr-Ni. Главные аустенитно-образующие элементы — это Mn и Ni. Аустенит, полученный на их основе, называют соответственно марганцевым и никелевым. Свойства их существенно различаются.

 

В работах И. Н. Богачева с сотрудниками показано, что деформационное упрочнение существенно выше у марганцевого аустенита, чем у никелевого (рис. 1.10).

Однако марганцевый аустенит, а значит, и высокомарганцевые аустенитные стали склонны к скачкообразному уменьшению вязкости при понижении температуры, т. е. переход от вязкого разрушения к хрупкому при определенной температуре происходит практически мгновенно. для никелевого аустенита такого резкого перехода не наблюдается вплоть до температуры —196^оС (рис. 1.11).

Если содержание легирующего элемента превышает его количество, необходимое для упрочнения твердого раствора, то он в зависимости от свойств будет формировать другие фазы, такие как карбиды, нитриды. Карбонитриды, интерметаллиды в большинстве случаев служат фазами упрочнителями сталей.

Карбиды и нитриды являются фазами внедрения. Их образуют d- переходные металлы с углеродом и азотом. На рис. 1.12 приведен фрагмент Периодической системы с 1-переходньими металлами, содержащий сведения об электронном строении d- и s-оболочек, кристаллической структуре решеток, стехиометрических формулах карбидов и нитридов этих элементов. В каждом периоде при увеличении атомного номера d-переходного металла (слева направо, например от Тi к Ni или от Zr к Мо) увеличивается заполняемость электронных оболочек металла. При этом силы связи или прочность связи Ме—С(N) уменьшаются. Уменьшается стойкость карбидов и нитридов.

 

 

Прочность связи между атомами металла и неметалла в карбидах и нитридах характеризуют теплотой образования Δ H (кДж/(г-атом)) фаз, температурой их плавления и структурно-чувствительными упругими свойствами. Наиболее высокие значения указанных свойств имеют карбиды и нитриды элементов IV и V групп: ТiС, ТiN, ZrС, VС, VN, NbC, NbN.1

Кристаллические решетки карбидов и нитридов во всех случаях отличаются от решеток соответствующих переходных металлов. По мере движения слева направо в Периодической системе элементов усложняется решетка карбидов и увеличивается многообразие их форм.

Карбиды и нитриды оказывают большое влияние на свойства легированных сталей: прочность, твердость, вязкость и др. Поэтому стойкость карбидов и нитридов в известной мере определяет и стабильность свойств самой легированной стали.

Металлы IV и V групп образуют однотипные монокарбиды и мононитриды МеС и МеN с ГЦК решеткой, но не обычной, а состоящей из двух ГЦК подрешеток -металлической и неметаллической, как бы вставленных одна в другую. Карбиды и нитриды металлов IV и V групп могут частично или полностью растворяться один в другом с образованием карбонитридов. Полностью растворимы ТiС—Тi N, VN, NbN, ZrN, ZrC-ZrN, NbN, VC-TiN, VN, NbN-TiN, VN, ZrN. Ограниченно растворимы ТiС—ТаN, ZrC—ТаN, VС— ZrN, TaC-TaN.

Карбонитриды обозначают формулой типа Ме(СN), например карбонитрид ванадия V(С_xN_1-x). Карбиды, нитриды и карбонитридьи на основе двух или трех металлов могут иметь такие формулы: (V, N)C, (V, Nb, Ti)N, (V, Nb)(C, N)< (Ti, V, Nb)(C, N).

Переходные металлы VI—VIII групп образуют в стали по 2—З карбида различной сложной кристаллической структуры, например: МоС, Мо₂C, WC, W₂C, Сr₇C₃, Cr₂₃C₆. Обычно в чистом виде такие карбиды не встречаются. В них часть атомов легирующего элемента заменяется железом и образуются комплексные карбиды, например: (Fe, Сr)₇C₃,

(Fe, Сr)₂₃C₆, (Ее, Мо)₂C и др.

Карбид железа Fe₃C менее стоек по сравнению с карбидами легирующих элементов. Однако цементит — это основная структурная составляющая стали, образующаяся при перлитном превращении, в процессе бейнитного распада, при отпуске мартенсита и других процессах. Атомы железа могут также замещаться атомами других легирующих элементов: (Fe, Mn)₃C, (Fe, Cr)₇C₃. Однако такие элементы, как V, Тi, Zr, практически не растворимы в нем.

Нитрид CrN образуется в высокохромистых аустенитных сталях с азотом и имеет ГЦК решетку, описанную выше.

Нитриды железа Fe₂N, Fe₄N, Fe₁₆N_1-2 выделяются в стали, содержащей азот свыше 0, 008%. Наиболее устойчив нитрид Fe₄N.

 

Нитриды железа резко охрупчивают сталь и отливки из нее, так как выделяются из твердого раствора в железе при сравнительно низких температурах (< 680 °С) и располагаются в виде игл по всему объему зерен железа. Но присутствие нитрида железа в легированных сталях практически исключено, поскольку в их состав входят более сильные нитридообразующие элементы: Аl, Тi, Nb и др.

Интерметаллиды — это такие фазы, которые образуются в результате взаимодействия железа с некоторыми металлическими легирующими элементами или последних друг с другом. Образовывать интерметаллиды могут большинство применяемых легирующих элементов, например FeCr, FeCo, CoCr, Fe₇Mo₆, Fe₇Nb₂, Fe₂W, NiAl и др. Все они имеют большую или меньшую область однородности на диаграммах состояния и могут образовывать твердые растворы друг с другом. Интерметаллиды могут быть образованы на основе трех (например: Fе - Мо - Со, Fe - V - Co и др.) и более металлов.

Некоторые из важнейших интерметаллических соединений, встречающихся в современных марках легированных сталей, относятся к фазам Лавеса: Fe₂W, Fe₂Mo, Fe₂Ti, Fe₂Nb, V₂Si, ZrW₂, ZrW₂, Ni₃Ti, Cr₂Ti, ZrCo₂ и др. В их образовании доминирующую роль играет геометрический фактор. Отношение атомных радиусов компонентов, образующих фазы Лавеса, находится в пределах 1, 13—1, 27. Фаза Лавеса характеризуется плотноупакованной структурой и образуется разными металлами, из которых один или два являются переходными.

Вторая группа интерметаллидов образуется только переходными металлами. Важнейшими из соединений этого типа являются σ -фазы (сигма-фазы). Известно более 20 двойных и большое количество тройных фаз, например, в системах Со—Сr, Fe—V, Ni, V—Мn, Сr—Мn, Fе—Сr—Со, Fе—V—Со, Fе—Мо—Со, W— Re, Мо—Rе и др.

Кроме σ -фаз в некоторых случаях могут образовываться фазы, близ кие по свойствам и условиям образования к σ -фазам. Так, в сплавах Fе— Сr—Мо с содержанием 8—27% Сr и более 5% Мо, сплавах Fe—Сr—Ni-Mo с 2—8% Мо и некоторых других системах образуется χ -фаза (кси-фаза) Fe₃₆Cr₁₂Mo₁₀. Свойства ее близки к свойствам σ -фазы.

 

Выбор легирующих элементов

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. II. Превращение Сталиным коммунистической революции в административную
2. Адаптация к положениям о структурных подразделениях стратегии развития
3. Анализ влияния структуры и структурных сдвигов
4. Анализ элементов договора к-п.
5. АРОМАТЕРАПИЯ – ВЛИЯНИЕ НА ОРГАНИЗМ
6. Взаимное расположение элементов в оптической системе
7. Византийское влияние на дальнейшее развитие просвещения
8. Власть и влияние руководителя.
9. Власть, основанная на принуждении. Влияние через страх.
10. ВЛИЯНИЕ АВТОТРАНСПОРТА НА ГОРОДСКУЮ СРЕДУ
11. Влияние блуда, прелюбодеяния на предков- потомков - род.
12. Влияние важнейших экологических факторов на морфогенез, распределение растений и формирование фитоценозов