Влияние легирования на структуру и механические свойства стали

Введение в сталь различных элементов, даже в очень незначительных количествах, оказывает влияние на структуру, свойства и на процесс производства стали. Например, ванадий и титан вводят преимущественно как легирующие добавки для получения определенных свойств стали, но уже в процессе плавки благодаря высоким раскисляющим свойствам они улучшают качество стали.

Одним из важнейших структурных факторов, влияющих на свойства стали, является величина зерна. Ниобий, вольфрам и молибден способствуют получению мелкозернистой структуры. Полагают, что влияние элементов на рост зерна в стали в большей степени определяется тем, что они изменяют прочность межатомной связи, а это приводит к соответствующему изменению скорости самодиффузии железа. Карбидообразующие элементы, независимо от их собственного влияния на прочность межатомной связи в решетке железа, должны уменьшать склонность к росту зерна потому, что они связывают углерод, удер-живая его вне твердого раствора и тем самым парализуя его влияние на уменьшение прочности связи в решетке.

Исследования, проведенные в ЦНИИТМАШе, показали, что в нолуферритных сталях, легированных молибденом, вольфрамом, ванадием, ниобием и титаном, при нагреве до 1150 °С не наблюдается признаков перегрева.

В некоторых сталях с ферритной структурой пользуются присадками небольших количеств азота для предотвращения или ослабления их большой склонности к росту зерна при высоких температурах. Образующиеся частицы нитридов уже в слитке обеспечивают получение мелкого зерна и в дальнейшем препятствуют его росту даже при длительной выдержке при высокой температуре.

Наиболее жаропрочные 12%-иые хромистые стали содержат некоторое количество структурно свободного феррита. Увеличение содержания углерода в стали приводит к непрерывному уменьшению количества феррита. Для получения кованой стали 12Х11В2МФ (ЭИ756) с чисто мартенситной структурой (сор- битной) требуется довести содержание углерода до 0,20—0,25%. При одинаковом содержании элементов структурно свободного феррита в литой стали больше, чем в кованой.

Структура стали

в термически улучшенном состоянии однородна и представляет собой сорбит

Структура стали с 0,13% С, 12% Сг и 0,7% Мо в термически улучшенном состоянии однородна и представляет собой сорбит, ориентированный по мартенситу. При дополнительном легировании молибденом, ванадием, вольфрамом, ниобием и титаном структура стали становится менее однородной. Появляются отдельные участки феррита, причем количество феррита увеличивается при повышении содержания легирующих элементов. Наиболее резкое увеличение количества феррита в стали наблюдается при легировании ниобием и титаном. В стали с 0,71% Nb структура в основном ферритная, сорбит присутствует только в виде отдельных скоплений, расположенных по границам и на стыках крупных зерен феррита. Это полностью согласуется с имеющимися данными по влиянию легирующих элементов. Из диаграммы состояния видно, что при содержании углерода меньше 0,05% сталь с 12% Сг не может быть полностью переведена в аустенит в процессе нагрева под закалку и в ее структуре присутствует избыточный феррит. Ниобий и титан, как известно, образуют стойкие карбиды, ра-створимые только при очень высоких температурах, и тем самым резко снижают количество углерода, участвующего в фазовых превращениях при термической обработке; это приводит к увеличению количества феррита в структуре стали.

Легирование стали кобальтом, подобно углероду, приводит к уменьшению количества структурно свободного феррита. При введении в 12%-ную хромовольфрамомолибденованадиевую сталь 3,68% Со структура ее после отпуска становится чисто сорбитной. В термически улучшенном состоянии в структурно свободном феррите всех исследованных сталей полуферритного класса вторичных фаз не обнаружено.

При введении в 12%-ную хромистую сталь вольфрама, ниобия, титана и ванадия существенно изменяются прочностные и незначительно пластические свойства стали. Увеличение содержания в стали легирующего элемента, как правило, понижает прочность и несколько повышает 'пластичность. Особенно сильное понижение прочности наблюдается при введении в сталь сильных ферритообразующих элементов (титан, ниобий). Влияние ванадия выражено менее заметно и сказывается только при содержании его в стали более 0,3%.

Изменение содержания молибдена в стали

не вызывает больших изменений механических свойств

В отличие от титана, ниобия и ванадия вольфрам вызывает меньшее снижение прочностных характеристик стали при комнатной температуре. При повышении содержания вольфрама от 1,0 до 3,9% практически не происходит дальнейшего разупрочнения стали, несмотря на увеличение количества феррита. Такая же картина наблюдается при увеличении содержания вольфрама и 'В сталях, имеющих в своем составе 0,4% Nb.

Изменение содержания молибдена в стали марок 12Х11В4МФ (ЭИ757) и 12X11В2МФ (ЭИ756) в пределах 0—1,3% не вызывает больших изменений механических свойств, хотя и сохраняется тенденция к снижению прочностных и некоторому повышению "пластических свойств стали по мере увеличения содержания молибдена.

Легирование стали кобальтом до 1,7% приводит к значительному повышению ее прочностных свойств; при дальнейшем увеличении содержания кобальта (^ 1,7 до 3,4%) повышение предела прочности незначительное. Поэтому увеличение в стали содержания этого дорогого и дефицитного элемента сверх 1,7% является нецелесообразным. Пластические свойства стали при легировании кобальтом в пределах 0—3,4% находятся примерно на одном уровне.

С увеличением содержания углерода в стали кратковременная прочность нарастает, проходит через максимум, а затем уменьшается. По мере усложнения химического состава полуферритной стали (увеличения содержания ферритообразующих элементов) максимум кратковременной прочности смещается в область более высокого содержания углерода.

влияние углерода на ударную вязкость стали

При испытаниях продольных образцов металла лабораторных плавок всех исследованных сталей

Вопреки распространенному среди исследователей мнению о повышении пластических свойств при уменьшении количества структурно свободного феррита пластичность (6, i|') исследованных нами сталей при увеличении содержания углерода не только не растет, но, наоборот, имеет явную тенденцию к снижению. Это отчетливо видно на всех трех сериях сталей с различным содержанием углерода, причем максимальные значения этих характеристик, как правило, соответствуют минимальному со-держанию углерода и, следовательно, наибольшему количеству структурно свободного феррита.

Положительного влияния углерода на ударную вязкость стали этого класса при 20°С также не было обнаружено. При испытаниях продольных образцов металла лабораторных плавок всех исследованных сталей, как правило, получили высокую ударную вязкость. Только в стали, содержащей 0,4% Nb и 3,4% W, и в стали с 0,71% Nb были получены низкие значения удар-ной вязкости: 2.1 и 1,3 кГм/см2. В условиях 'рабочих темпера-тур (550—600 °С) у всех сталей ударная вязкость высокая и имеется тенденция к росту ее при увеличении содержания леги-рующих элементов.

Таким образом, увеличение количества феррита в структуре стали приводит к снижению прочностных характеристик при комнатной и высоких температурах. Только при легировании вольфрамом (более 1,0%) увеличение количества феррита не вызывает заметного снижения прочности стали, так как в этом случае сказывается сильное упрочнение феррита этим элементом.