Влияние легирующих элементов на фазовые превращения при термообработке.

В легированных сталях первое основное превращение (П→А) происходит так же как и в обычных углеродистых сталях, то есть при повышении температуры происходит постепенное растворение карбидов в аустените. Однако, температура растворения специальных карбидов более высокая, чем у цементита, и поэтому окончание этого превращения происходит при более высоких температурах. Это вызывает необходимость повышения температуры отжига и закалки, кроме того скорость растворения специальных карбидов меньше, и поэтому продолжительность выдержки при отжиге или закалке у легированных сталей больше чем у углеродистых сталей.

Превращение А → П, которое наблюдается при медленном охлаждении, так же зависит от содержания легирующих элементов. Введение всех легирующих элементов, кроме Со, смещает расположение С – образных кривых вправо. А карбидообразующие элементы дополнительно изменяют вид С – образных кривых, разделяя между собой перлитное и промежуточное превращение (рис. 5).

Рис. 5.Влияние никеля и хрома на характер диаграмм изотермического

аустенита стали с содержанием углерода 0,5%

В результате в зависимости от количества легирующих элементов при одной и той же скорости охлаждения можно получать в легированных сталях различную структуру, а, следовательно, и разные механические свойства (рис.6).

При закалке легированных сталей основным фазовым превращением является превращение аустенита в мартенсит. Введение легирующих элементов может повышать или понижать температуру мартенситного превращения. Понижение температуры мартенситного превращения при введении легирующих элементов приводит к смещению интервала мартенситного превращения ниже 0º. В результате после закалки в структуре таких сталей сохраняется большое количество остаточного аустенита.

Рис. 6.Влияние легирующих элементов на механические свойства стали

Остаточный аустенит является нестабильной структурой, ухудшающей свойства стали, что вызывает необходимость его устранения. Устранить его можно либо за счет обработки холодом, сразу после закалки, либо отпуском.

Основным превращением при отпуске является распад мартенсита на ферритно-карбидную смесь. Степень этого распада зависит от температуры нагрева. В простых углеродистых сталях полный распад мартенсита происходит при нагреве до 250ºС. Затем при дальнейшем повышении температуры наблюдается постепенный рост и коагуляция цементита, т.е. твердость стали сохраняется только при нагреве до 250ºС. В легированных сталях мартенсит может сохраняться до 500-600ºС и лишь затем начинает распадаться на ферритно-карбидную смесь. Скорость этого распада и коагуляция карбидов также происходит медленнее, чем в углеродистых сталях. Поэтому легированные стали сохраняют свою твердость до более высоких температур отпуска. Вторым фазовым превращением, характерным для отпуска легированных сталей является распад остаточного аустенита. При нагреве из него выделяются легирующие элементы в виде специальных карбидов, а затем в процессе охлаждения после отпуска остаточный аустенит превращается в мартенсит. Для полного превращения иногда необходимо повторить процесс отпуска несколько раз до тех пор, пока его количество не снизится до 0,5-1,0%. Из-за повышенной температуры распада мартенсита твердость легированной стали после отпуска будет другая (рис. 7).

Рис.7. Изменение твердости вследствие распада мартенсита

1 –углеродистая сталь; 2 - легированная сталь

В сталях, содержащих карбидообразующие легирующие элементы (Cr, Wo, V, Ti) твердость стали первоначально ниже, и затем сохраняется, а иногда даже немного выше до температуры 500-600ºС. Такое свойство стали называется теплостойкостью, а для режущих сталей это же свойство называется красностойкостью. Оно характерно для инструментальных сталей. Сохранение твердости и рост её в процессе отпуска называется дисперсионное твердение стали (вторичная твердость).

Введение легирующих элементов влияет и на отпускную хрупкость стали. Отпускная хрупкость I рода более характерна для углеродистых сталей. В легированных сталях она проявляется меньше. Особенно сильно на нее влияет кремний, который повышает интервал отпускной хрупкости до температуры 370-430ºС. Но в большинстве случаев отпускной хрупкости I рода стремятся избежать, не нагревая сталь в этот температурный интервал.

Наиболее сильно влияет на легированные стали отпускная хрупкость II рода (обратимая). Усиливает эту отпускную хрупкость — Cr, Ni, Mn. Уменьшает склонность к отпускной хрупкости добавки Mo и W.

Наиболее действенными способами уменьшения склонности к отпускной хрупкости II рода являются:

· ускоренное охлаждение с температуры отпуска

· введение в сталь Mo и W.

· повышение качества стали.

Введение легирующих элементов изменяет порог хладноломкости стали. Наиболее сильно понижает температуру полухрупкости Т₅₀ никель (рис.8). Поэтому все детали для машин в северном исполнении всегда изготавливают из сталей легированных никелем.

Рис.8. Влияние легирования на порог хладноломкости