Додані в сталь легуючі елементи можуть утворювати тверді розчини або хімічні сполуки з залізом і між собою. У більшості випадків для сталей важливу роль має взаємодія ЛЕ з вуглецем і азотом. Здатність ЛЕ до утворення карбідів або нітридів в стали, де основу складає залізо, визначається їх спорідненістю до С і N. Якщо спорідненість ЛЕ до С і N більше, ніж у заліза, то буде утворюватися карбід на основі ЛЕ, а не цементит.
Так як закономірності утворення карбідів і нітридів в стали мають однаковий характер і вуглець частіше застосовується при легуванні, ніж азот, зазвичай розглядають закономірності карбідоутворення.
Всі легуючі елементи можна розділити на дві групи: карбидообразующие і не утворюють карбідів в сталі.
Карбіди і нітриди відносяться до фаз впровадження, які і утворюються між d -переходнимі металами і відповідно вуглецем і азотом. Активність карбидообразующих елементів тим більше і стійкість карбідних фаз тим вище, чим менше добудована d -електронний оболонка у даного металу. На рис. 77 наведено фрагмент таблиці Д. І. Менделєєва, де розташовані карбідо- і нітрідообразующіе елементи.
Co і Ni. представлені на рис. 77, не утворюють карбіди і нітриди в стали, так як вони мають більш досконале електронна будова, ніж залізо.
Мал. 77. Структури d-перехідних металів, карбідів і нітридів, утворених в стали
У деяких карбідах легуючих елементів може розчинятися залізо. Так, наприклад, в карбідах Cr3 c і Мn3 З залізо розчиняється необмежено. Карбіди Cr7 C3 і Mn23 C6 утворюють обмежені тверді розчини з залізом.
Міцність зв'язку між атомами металу і неметалла в карбідах і нітриду характеризуються теплотою освітньої-ня 298К. кДж / (г-атом) і вільної енергією освітньої-ня фаз (298К. кДж / (г-атом). температурою їх плавл-ня і структурно-нечутливими пружними властивості-ми. Найбільш високі значення із зазначених властивостей мають карбіди і нітриди елементів IV і V груп. у міру збільшення номера категорії якості змінюються в сторону зменшення міцності зв'язку атомів в карбіду і нітриду або, як кажуть, міцності або стійкості карбідів і нітридів.
Отже, перехідні метали по їх спорідненості до вуглецю і азоту, міцності і стійкості карбідів і ніт-рідов, їх стійкості до розпаду можна розташувати в наступний регресний ряд: Hf, Zr, Тi, Та, Nb, V, Мо, Сr, Мn, Fе.
У сталях цей карбід може містити від 30 до 50% Сr. т. е. його формула повинна бути в межах Fе4 Сr3 С3 і Fе2 Сr5 С3. Зазвичай такий карбід позначають (Сr. Fе) 7 С3 або Me7 C3.
Карбід Сr23 С6 утворюється в високолегованих хро-Місті сталях при великому вмісті хрому (вище 5 - 8%). Він має складну р ц. к. решітку, елементарна осередок якої містить 116 атомів, в тому числі металу 92 атома і вуглецю - 24. В сталях карбід Сr23 С6 в чистому вигляді не зустрічається, частина атомів хрому в ньому заміщається карбидообразующих елементами, що входять до складу сталі (Fе, Мо , W).
Залізо широко заміщає в цьому карбіду хром, але так як розмір атомів заліза дещо менше раз-міра атомів хрому, то починаючи з певного моменту (після заміщення
30% Сr) ці вузли стають занадто-ком "просторими", і для стійкості решітки необхід-мо присутність великих атомів W (або Мо). Атоми W (Мо) займають також певні позиції в решітці Карби-да Ме23 С6, тому їх максимальне число в елементарний-ної осередку становить 8 з 92 атомів металу. Дальньої-шиї збільшення в стали концентрації вольфраму і молібдену в виділяється фазі понад цю межу призводить до переходу Ме23 С6 Þ Ме6 С, як до наступного карбіду, який може вмістити більшу кількість W і Mo.
Цей карбід утворюється тільки при складному легуванні, тому він є комплексним карбідом. Його перевага перед іншими карбидами на основі Mo. W та інших тугоплавких елементів полягає в тому, що він має більш низьку температуру дисоціації, що дозволяє переводити Мо і W при нагріванні при загартуванню в твердий розчин (аустеніт).
Однак цей карбід метастабільний і при високій температурі і тривалих витримках він перетворюється в стабільні карбіди типу МеС або Ме2 С. З цієї причини високолеговані стали, містять у великих кількостях Cr, W, Mo і V не беруть під пом'якшувальному відпалу з нагріванням і тривалою витримкою при температурах 1100. 1200 о С. При загартуванню з цієї області температур тривалість витримки строго регламентована.
Л 5.2. Вплив легуючих елементів на С-образні криві.
Вплив легуючих елементів на критичні точки і властивості стали
Легуючі елементи значно впливають на температурне положення критичний-ських точок в сталях. Зокрема, вони можуть інтенсивно зміщувати точку АС1. Подібний вплив легуючих елементів пов'язано з двома факторами.
Як відомо, критична температура АС1 в углер-дист стали відповідає перетворенню евтектоїдной суміші перліту + Fе3 С аустеніт шляхом фазового переходу a®g, дисоціації карбіду і розчинення вуглецю в g-же-лезе. З одного боку, легуючі елементи змінюють температуру - прeвращенія для фериту, що входить до складу евтектоіда (перліту), і, з іншого боку, впливають на температуру дисоціації евтектоїдних карбідів і по-наступне розчинення вуглецю і легуючих елементів-тов в g-заліза. Як правило, карбидообразующие елементи підвищують температуру дисоціації карбідів, і, якщо при цьому вони також підвищують температуру -перетворення, то впливав-ня їх на точку АС1 позначається особливо сильно (рис. 78).
Некарбідообразующіе елементи, розчиняючись в цемен-титі, кілька знижують температуру дисоціації кар-біда. При цьому нікель і марганець знижують температуру -переходу і, слідчий-но, знижують точку АС1. Своє-образно вплив хрому на точку АС1. Він до 12-13% порівняно слабо підвищує точку АС1, а при утримуючи-ванні його більш 14% спостерігається різке підвищення темпе-ратури АС1. Подібний вплив пояснюється тим, що при со-триманні хрому до 12 - 13% він знижує температуру - переходу, а спостережуване при цих змістах хрому по-щення точки АС1 обумовлено більш сильним впливом дисоціації евтектоїдних карбідів при цих температурах. Закономірності впливу елементів на критичні точ-ки в основному зберігаються і в сталях, що містять одне-тимчасово кілька легуючих елементів.
Більшість легуючих елементів знижує межа розчинності вуглецю в - залозі і, отже, сме-щает точку Е на діаграмі Fе -Fе3 С у бік менших концентрацій вуглецю.
Мал. 79. Зміна змісту вуглецю в евтектоід і евтектиці при легуванні
Легуючі елементи зміщують не тільки критичні точки рівноважних систем, але і змінюють кінетику розпаду аустеніту. Кінетика розпаду аустеніту визна-чає поведінку стали при термічній обробці. Вплив же легуючих елементів на кінетику перетворення аустеніту дуже велике.
Елементи, які тільки розчиняються в фериті або цементиті, не утворюючи спеціальних карбідів, надають лише кількісне вплив на процеси перетворення (змінюють тривалість інкубаційного періоду). Вони або прискорюють перетворення (до таких елементів відноситься тільки кобальт), або уповільнюють його (більшість елементів, в тому числі марганець, нікель, мідь і ін.).
Мал. 80. Діаграми ізотермічного перетворення аустеніту: доевтектоїдної (а), евтектоїдной (б) і заевтектоідной (с) вуглецевої сталі
Карбидообразующие елементи вносять не тільки кількістю-жавні, але і якісні зміни в кінетику ізотермічен-ського перетворення. Так, легуючі елементи, що утворюють розчинні в аустеніт карбіди, при різних температурах по-різному впливають на швидкість розпаду аустеніту: при 700 - 500 ° С (освіта перліту) - уповільнюють перетворення, а при 500 - 400 ° С - дуже значно уповільнюють перетворення; при 400 - 300 ° С (про-разование бейнита) - прискорює перетворення при малих концентраціях і уповільнюють при великих.
Таким чином, в сталях, легованих карбидообразующих елементами (хром, молібден, вольфрам), спостерігаються два максимуми швидкості ізотермічного розпаду аустеніту, раз-діловий-них областю високої стійкості пе-ре-охолодженого аустеніту. Ізотермічний розпад аустеніту має два явно виражених інтервалу перетворень - перетворення в пластинчасті кристалітів (перлітного перетворення) і перетворення в голчасті кристалітів (бейнітного перетворення).
При легуванні карбидообразующих елементами діаграма набуває іншого вигляду (рис. 81). Причини зміни форми діаграми детально вивчаються в дисципліні "Теорія термічної обробки". Слід звернути увагу на той факт, що положення бейнітною області залежить від вмісту вуглецю і ЛЕ-карбідо-обра-зователя.
Мал. 81. Схеми діаграм ізотермічного розпаду аустеніту, легованого карбидообразующих елементами: а - малоуглеродистая сталь; б - високовуглецева сталь