Материал: Специальные сплавы в аэрокосмической технике. Миленин А.В., Ожерельев В.В
Атомные размеры молибдена отличные от хрома и железа, поэтому он образует с Feα ограниченные твердые растворы. Растворимость молибдена в Feα составляет 5 % при 20 °C, предельная растворимость 26 % при 1450 °C. Молибден повышает точку А3 и понижает точку А4. Область сливается при содержании молибдена
2,26 %.
Диаграмма состояния системы железо – кремний (рис. 7).
Рис. 7. Диаграмма состояния железо – кремний [5]
Кремний имеет кристаллическую решетку типа алмаза. Растворимость кремния в железе составляет ~ 15 % при 20 °C. Кремний повышает точку А3 и понижает точку А4, полностью сливая γ–область при содержании 2 %. Все сплавы, содержащие ≥ 2,5 % кремния, являются ферритными. Кремний с железом образует соединения – силициды, обозначенные на диаграмме состояния греческими буквами.
11
1.3. Карбидная фаза в легированных сталях
Легирующие элементы по отношению к углероду можно разделить на группы:
–элементы, не образующие карбиды (Ni, Si, Co, Al, Cu);
–элементы, образующие карбиды (Cr, Mn, Mo, Ti, W, V, Ta, Nb,
Zr, Hf).
Карбиды, образованные перечисленными легирующими элементами, обладают высокой твердостью и хрупкостью, но по отношению к карбидужелеза они менее хрупкие и более твердые.
Если читывать степень химического сродства легирующих элементов к углероду, то можно написать следующий ряд: Fe, Mn, Cr, Mo, W, Nb, V, Ta, Zr, Ti. Элементы, с которых начинается ряд, образуют менее устойчивые карбиды. При нагревании эти карбиды легко диссоциируют. Элементы, которые находятся в конце ряда (Zr, Ti), образуют более устойчивые карбиды. Эти карбиды диссоциируют лишь при температурах, значительно превышающих критические точки стали. Карбидообразующие элементы в определенном соотношении в зависимости от их содержания и содержания углерода распределяются междуразличными фазами: растворяются в цементите и
вжелезе; образуют отдельные самостоятельные карбиды. Большинство легирующих элементов влияют на температуру
эвтектоидного превращения в сталях(рис. 8).
Рис. 8. Влияние легирующих элементов на положение эвтектоидной линии А1[6]
12
Под влиянием легирующих элементов изменяется концентрация углерода в эвтектоиде (рис. 9).
Рис. 9. Влияние легирующих элементов на содержание углерода
вэвтектоиде [6]
1.4.Влияние легирующих элементов на свойства феррита и аустенита
При введении в феррит легирующих элементов наблюдается изменение его свойств. Так как атомы легирующих элементов отличаются по размеру и строению от атомов железа, то создаются напряжения в кристаллической решетке (КР) железа, вызывая изменения ее линейных параметров в тем большей степени, чем больше различаются атомные размеры железа и легирующего элемента.
Для легирующих элементов (вольфрам, молибден, хром, марганец) характерен атомный радиус превышающий, значения атомного радиуса железа, что способствует увеличению параметров КР. А такие легирующие элементы как кремний и кобальт, имеющие меньший атомный радиус, чем у железа, уменьшают его. Изменение размеров КР железа приводит к существенному изменению механических свойств (прочность повышается, пластичность уменьшается), коэффициента линейного расширения, электросопротивления, магнитной индукции, магнитной проницаемости, коэрцитивной силы и других свойств феррита.
13
В конструкционных сталях доля феррита в структуре составляет ~ 95 %, поэтому значение свойств легированного феррита позволяет оценивать общий уровень свойств сталей.
Многокомпонентный твердый раствор по типу замещения и внедрения легирующих элементов и примесей в α-железе называется легированным ферритом. В случаи легирования феррита сразу несколькими элементами оказываемое ими влияние на упрочнение может быть просуммировано.
На рис.10 показано влияние легирующих элементов на твердость и ударную вязкость медленно охлажденного феррита, содержащего менее 0,02 % углерода.
Слабее упрочняют феррит легирующие элементы изоморфные α–Fe (хром, молибден, вольфрам). Сильнее – элементы, имеющие КР, отличную от α–Fe (марганец, никель, кремний). Вязкость феррита снижают молибден, марганец, вольфрам, кремний. Чем больше различие в размерах атомных радиусов железа и легирующих элементов, тем сильнее их влияние на вязкость и пластичность феррита.
Рис. 10. Влияние легирующих элементов на свойства феррита [6]
Приведенные на рис. 10 кривые зависимости соответствуют сплавам с медленным охлаждением. Свойства феррита, содержа-
14
щего в растворе Si, W или Mo, слабо зависят от того, как охлаждался сплав – медленно или быстро. Твердость феррита, легированного хромом, никелем, марганцем, становится выше после быстрого охлаждения, по сравнению с твердостью после медленного охлаждения, что связано с образованием структуры мартенситного типа (рис. 11,б).
К одним из основных характеристик стали можно отнести температуру порога хладноломкости Тхл и температуру перехода из вязкого в хрупкое состояние Тпр, определяющее склонность стали к хрупкому разрушению.
Рис. 11. Структура феррита в стали с 4,2 % хрома, х400 а) медленное охлаждение; б) быстрое охлаждение [7]
На рис. 12 представлены графики, характеризующие влияние легирующих элементов (V, Si, Cr, Ni) на порог хладноломкости железа Т50. При малой концентрации легирующих элементов замещения, не превышающей 1 %, наблюдается снижение температуры перехода, а при большей их концентрации температура перехода значительно повышается (за исключением Ni, так как он при всех значениях концентрации существенно понижает порог хладноломкости).
Введение легирующих элементов оказывает влияние на размер аустенитного зерна.
Для большинства сталей считается предпочтительным получить более мелкое зерно аустенита, что обеспечивает высокие пока-
15