Легированные стали. 
Материаловедение в машиностроении

Легированные стали — это стали, которые для обеспечения требуемых свойств содержат легирующие компоненты.

Легирующими компонентами называют элементы Периодической системы Д. И. Менделеева, которые специально вводят в сталь с целью изменения ее структуры и свойств (в отличие от примесей, попадающих в сталь при выплавке из руд, шихты и др.). Кремний и марганец, относящиеся к полезным примесям, могут быть легирующими компонентами. В этом случае их количество в стали больше сверх необходимого по технологии выплавки (например, при содержании марганца и кремния в количестве 1% и более).

В зависимости от концентрации легирующих компонентов конструкционные стали подразделяют на низколегированные (до 2…3%), среднелегированные (3…10%) и высоколегированные (более 10%). В машиностроении наиболее широкое применение нашли конструкционные стали, содержащие 1…6% легирующих компонентов.

Изменение структуры и свойств сталей, т. е. достижение целей легирования, возможно лишь в том случае, если легирующими компонентами являются элементы Периодической системы Д. И. Менделеева, которые взаимодействуют с основными компонентами стали: железом и углеродом.

Особенности взаимодействия легирующих компонентов с железом и углеродом

Взаимодействие легирующих компонентов с железом. Наиболее распространенным и основным типом взаимодействия легирующих компонентов с железом является образование твердых растворов этих компонентов в железе. Поскольку основными легирующими компонентами в сталях являются металлы, то они образуют с железом твердые растворы замещения. Для их образования, как указывалось ранее (см. 3.2), необходимо, чтобы легирующие компоненты по отношению к железу имели:

• — одинаковое или близкое кристаллическое строение (тип кристаллической решетки);
• — близкие периоды кристаллических решеток, различие их атомных диаметров должно быть небольшим и не превышать 15%.

Выполнение этих условий возможно, если эти компоненты располагаются в Периодической системе Д. И. Менделеева рядом или сравнительно недалеко от железа (рис. 6.3).

Железо является полиморфным металлом и имеет две формы кристаллического строения: железо-? с объемно;

• 1. Обозначение символов кристаллических решеток: - ОЦК; - ГЦК.
• 2. Fe, Mn, Со и Ti являются полиморфными металлами; в таблице приведены те модификации этих элементов, которые совпадают с кристаллическими решетками Fea и Fe,.
• 3. Mn имеет две модификации кристаллического строения; одна из них имеет гранецентрированную тетрагональную решетку, близкую по своим параметрам к ГЦК решетке Fey.
• 4. Si имеет решетку алмаза, но по взамиодействию с Fe аналогичен элементам с ОЦК решеткой.

Рис. 6.3. Фрагмент периодической системы элементов Д. И. Менделеева

центрированной кубической решеткой (ОЦК) и железо-? с гранецентрированной кубической кристаллической решеткой (ГЦК). В связи с этим все легирующие компоненты по их растворимости в железе следует распределить на две группы:

• 1. Легирующие компоненты, хорошо растворяющиеся в железе-?. и плохо в железе-?. Эту группу образуют те элементы, которые имеют ОЦК решетку, как и у железа-?. Из приведенных на рис. 6.3 элементов к ним относятся хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан и кремний. Растворимость этих компонентов в железе-? невелика — соответствует концентрации легирующего компонента, находящейся левее (т.е. меньше) точки а, на оси абсцисс диаграммы, приведенной на рис. 6.4, а. Она составляет около 1% для ванадия и титана, 3% для кремния и возрастает до 12% у хрома (рис. 6.5). Растворимость легирующих компонентов этой группы в железе-a значительно больше и может достигать 100% (например, хрома).
• 2. Легирующие компоненты, хорошо растворяющиеся в железе-? и плохо в железе-?. К ним относятся те элементы, которые имеют такую же, как у железа-?, кристаллическую

Рис. 6.4. Фрагменты диаграмм состояния сплавов железа с легирующими компонентами, имеющими ОЦК (я) и ГЦК (б) кристаллические решетки.

решетку — ГЦК. Эту группу составляют марганец, никель и кобальт, которые в отличие от компонентов первой группы расширяют область ?-твердых растворов и ограничивают (замыкают) область ?-твердых растворов. Растворимость этих компонентов в железе-? сравнительно невелика и определяется положением точки bv тогда как в железе-? их растворимость значительно больше и достигает 100% (рис. 6.4, б).

Из диаграмм состояния (см. рис. 6.4) видно, что все компоненты, растворяющиеся в железе, оказывают влияние на полиморфное превращение железа. При небольшой концентрации легирующих компонентов в стали они изме.

Рис. 6.5. Предельная растворимость легирующих компонентов с ОЦК кристаллической решеткой в ?-железе.

няют температуры этих превращений. Компоненты первой группы повышают критическую точку железа А3, а второй группы — понижают. Легирующие компоненты изменяют критические точки сталей — Ас3 и Aс1 и, следовательно, температуры их термической обра? ботки.

При большом содержании легирующих компонентов полиморфное превращение в сталях (сплавах) может отсутствовать. Так, при содержании компонентов первой группы (например, хрома, ванадия, кремния) выше концентрации, определяемой точкой а2 (см. рис. 6.4, а), устойчивым от температуры плавления до цеховой температуры является ?-твердый раствор — феррит. Эти стали (сплавы) называют ферритными. При содержании компонентов второй группы (марганец, никель) в количествах выше b2 (см. рис. 6.4, б) устойчивым во всем интервале температур сохраняется ?-твсрдый раствор — аустенит; такие стати (сплавы) называют аустенитными (принцип определения структурного класса — мартенситные, перлитные, ферритные, аустенитные и другие — приведен в 10.3.2).

Взаимодействие легирующих компонентов с углеродом. По взаимодействию с углеродом различают три группы легирующих компонентов: карбидообразующие, графитообразующие (графитизаторы) и нейтральные.

1. Карбидообразующие компоненты — марганец, хром, молибден, вольфрам, ванадий и титан — образуют с углеродом химические соединения — карбиды. При этом между их атомами и атомами углерода в решетке карбида образуются ковалентные и ионные связи, отличающиеся высокой энергией.

Все карбидообразующие компоненты располагаются в Периодической системе слева от железа и чем левее, тем сильнее выражена их карбидообразующая способность. Таким образом, самым сильным карбидообразующим компонентом является титан, а наиболее слабым — марганец. Железо — еще более слабый карбидообразующий компонент, чем марганец.

При легировании сталей марганцем (независимо от его количества), хромом (до 2%) или более сильными карбидообразующими (вольфрамом, молибденом) компонентами (десятые доли процента) они растворяются в цементите, частично замещая атомы железа в его кристаллической решетке. Образуется легированный цементит, например (Fe, Cr)3C или (Fe, Mn)3C, мало отличающийся по свойствам от обычного, нелегированного цементита — Fe, C. В общем виде формула карбидов цемснтитного типа обозначается М3С (М — количество атомов металла).

При повышенных концентрациях легирующих компонентов в стали они образуют специальные карбиды. Так, при содержании хрома в количестве 2…10% в сталях образуется карбид Сг? С3, а при дальнейшем увеличении (свыше 10%) карбид с еще большим содержанием хрома — Сr23С6. Причем такие карбиды могут растворять в себе железо (значительное количество) и другие легирующие компоненты. Карбиды, имеющие сложный химический состав, обозначаются как М? С3 и М23С6 (цифра после буквы «М» — количество атомов металла? в карбиде).

При введении в сталь вольфрама и молибдена в количествах, превышающих их предельную растворимость в цементите, образуются сложные карбиды Fc3W3C и Fe3Mo3C (М6С).

Сильные карбидообразующие компоненты (молибден, вольфрам, ванадий и титан) образуют карбиды с решеткой типа ОЦК; они записываются формулой МС (МоС, WC, VC, TiC). Вольфрам и молибден при определенных условиях могут образовывать также карбиды, более богатые металлом, — М2С (W2C и Мо2С) с гексагональной решеткой (типы решеток — см. 1.3.1 и табл. 1.1).

Возрастание карбидообразующей способности компонентов выражается в повышении энергии связей между их атомами и атомами углерода и, следовательно, приводит:

• — к повышению твердости карбидов; твердость карбида железа — цементита (Fe3C) составляет 800…1000 HV, а карбида титана (TiC) — 3200 HV;
• — к увеличению устойчивости карбидов при нагреве и, как следствие, повышению температуры растворения их в аустените при нагреве сталей при закалке. Так, цементит начинает растворяться в аустените уже при 727 °C, карбиды хрома — при 850…900 °С, а карбиды ванадия (VC) и титана (TiC) практически не растворяются в аустените, так как температуры их растворения (около 1300 °С) выше температуры плавления сталей;
• — к уменьшению диффузионной подвижности атомов углерода в растворе карбидообразующих элементов в Fea и Fey. Это связано с тем, что энергия связей между атомами углерода и сильными карбидообразующими компонентами более высокая, чем между атомами углерода и железа.
• 2. Графитообразующие компоненты (графитизаторы) — никель и кремний. Введение этих компонентов вызывает распад карбидов с выделением из них углерода в свободном состоянии в виде графита.

В качестве графитизатора кремний широко используется при выплавке чугунов с графитом, он способствует графитизации — распаду цементита (карбида) на железо и графит.

3. Нейтральные компоненты нс образуют карбидов и не разрушают их. К ним относится кобальт. Это ближайший правый сосед железа в таблице Д. И. Менделеева.

Взаимодействие легирующих компонентов и углерода определяется их положением в таблице Д. И. Менделеева. Элементы, расположенные левее железа, — карбидообразующие, по мере их приближения к железу силы связи с углеродом ослабевают. Правее железа в той же группе располагаются металлы, не образующие карбидов. Их свойства меняются — от нейтрального кобальта к графитизатору (способствующему распаду карбидов) никелю, т. е. на противоположные.