Влияние легирующих элементов на свойства стали.

Преимущества легированных сталей, а также характерные для них специальные свойства проявляются только после соответствующей термической обработки. Поэтому из легированных сталей изготовляют детали, обязательно подвергаемые термической обработке. Улучшение механических свойств обусловлено влиянием легирующих элементов на свойства феррита, дисперсность карбидной фазы, устойчивость мартенсита при отпуске, прокаливаемость, размер зерна.

Для достижения высокой прокаливаемости сталь чаще легируют более дешевыми элементами - марганцем, хромом, бором, а также более дорогими и дефицитными - никелем и молибденом.

Хром (вводят в количестве до 2 %) растворяется в феррите и цементите, что повышает механические свойства и корозионную стойкость.

Никель (вводят в количестве от 1 % до 5 %) наиболее резко снижает порог хладноломкости и увеличивает пластичность, вязкость и трещиноустойчивость. Кроме того, никель повышает электросопротивление.

Марганец (вводят в количестве до 1, 5 %) заметно повышает предел текучести стали, однако делает сталь чувствительной к перегреву, увеличивает рост зерна. Содержание в стали хрома или марганца до 1 % практически не влияет на порог хладноломкости. Однако при больших их концентрациях порог хладноломкости повышается. Вместе с марганцем вводят карбидообразующие элементы для измельчения зерна.

Кремний (ограничивают 2 %) сильно повышает предел текучести, несколько затрудняет разупрочнение стали при отпуске; снижает вязкость и повышает порог хладноломкости при содержании свыше 1 %.

Вольфрам и молибден - дорогие и дефицитные карбидообразующие элементы, которые большей частью растворяются в феррите.

Вольфрам (0, 8 - 1, 2 %) измельчает зерно, повышает твердость, прочность, улучшает режущие свойства при повышенных температурах.

Молибден (0, 2 - 0, 4 % ) действует также, как и вольфрам, повышает статическую, динамическую и усталостную прочность стали и коррозионную стойкость.

Легирование стали в небольших количествах (0, 05 - 0, 15 %) ванадием, титаном, ниобием и цирконием, образующих труднорастворимые в аустените карбиды, измельчает зерно, что понижает порог хладноломкости.

Бор в микродозах (0, 002-0, 005% ) вводят для увеличения прокаливаемости. Так как он оказывает существенное влияние на свойства стали (он записывается в маркировку стали, например, 20ХГР).

Характеристика основных структурных классов сталей.

Стали ферритного, аустенитного, аустенитно - ферритного, аустенитно - мартенситного и мартенситно - ферритного классов относятся к коррозионно - стойким и жаропрочным и содержат не менее 12 % хрома.

При низком содержании углерода и большом количестве легирующего элемента, ограничивающего область существования аустенита (Cr, W, Мо, V и др.), образуется сталь ферритного класса, к ним относятся: хромистые нержавеющие стали 08X13, 15Х25Т и другие. Они не имеют фазовых превращений в твердом состоянии и поэтому не упрочняются термической обработкой.

При увеличении содержания углерода или аустенизаторов в хромистых нержавеющих сталях (12X13, 20X13 и др.) при нагреве часть феррита превращается в аустенит, который при быстром охлаждении переходит в мартенсит (имеют мартенситно - ферритную структуру) и, следовательно, могут упрочняться термической обработкой.

Аустенитные стали обычно легируют хромом и никелем (или марганцем).

Самую большую группу высоколегированных сталей составляют хромоникелевые и хромоникельмарганцевые стали. В равновесном состоянии они имеют легированный аустенит, а также некоторое количество карбидов и интерметаллидов. При закалке с 1000 - 1100 °С в них получается чисто аустенитная структура, так как вторые фазы (карбиды, интерметаллиды) растворяются при нагреве под закалку. При этом получаются наибольшая коррозионная стойкость и высокая пластичность, а упрочнения не происходит. Последнее резко отличает аустенитные стали от низко - и среднелегированных.

Однако, если в результате закалки аустенит достаточно пересыщен углеродом и другими легирующими элементами, то старение при 650 - 700 °С может вызвать упрочнение за счёт выделения вторых фаз в мелкодисперсном виде. Таким образом, аустенитные стали могут быть го-

могенными, неупрочняемыми термической обработкой (12Х18Н9 и др.).

Стали переходного аустенитно - мартенситного класса (09Х15Н9Т и др.) при высоких температурах являются полностью аустенитными и при охлаждении до 20°С сохраняют это состояние, которое является неустойчивым. Это достигается подбором химического состава и, главным образом, путем снижения содержания никеля, по сравнению со сталями аустенитного класса. Неустойчивый после закалки аустенит при обработке холодом частично (до 50 - 70 %) превращается в мартенсит, увеличивая прочностные свойства. Дополнительное упрочнение стали происходит при старении при 350 - 500 ⁰С. Эти стали, как и аустенитные, обладают высокими технологическими дисперсионно - твердующими, упрочняемыми закалкой и старением (40Х14Н14В2М). Они используются как нержавеющие для работы при обычных и высоких температурах (до 500 - 550 °С).

Нержавеющие стали аустенитно - ферритного класса (12Х22Н5Т и др.), в связи с более высоким содержанием хрома и пониженным содержанием никеля имеют двухфазную структуру при всех температурах твердого состояния. Количественное соотношение аустенита и феррита в них зависит не только от химического состава, но и температуры нагрева под термическую обработку и может меняться в широких пределах. Стабильность механических свойств этих двухфазных сплавов достигается только при относительно небольших колебаниях химического состава.