Легирование стали

Согласно диаграмме состояния железо-углерод все бинарные железоуглеродистые сплавы, которые содержат менее, чем примерно 2,11 % классифицируются как стали. (Вместо 2,11 % иногда применяют 2,06 %, а термодинамически вычисленная величина, говорят, составляет 2,14 %. Чтобы не было споров лучше, может быть, применять округленное число 2,1 %, которое, может устроить всех). Железоуглеродистые сплавы, которые содержат более 2,11 % углерода, называют чугунами. Когда для получения желаемых свойств в сталь в дополнение к углероду добавляют другие легирующие элементы, «пограничное» содержание углерода между сталями и чугунами может стать отличным от 2,11 %.

Влияние легирующих элементов на свойства стали

Стали обычно содержат легирующие элементы и примеси. Легирующие элементы (в меньшей степени – примеси) влияют на диаграмму состояния стали, аллотропические превращения и формирование новых фаз. Комбинированное влияние легирующих элементов и термической обработки дает огромное разнообразие микроструктуры и свойств сталей. Необходимо заметить, что на влияние отдельного легирующего элемента на свойства или структуру стали накладывается влияние других элементов. Поэтому всегда нужно учитывать взаимодействие легирующих элементов.

Влияние легирующих элементов на атомную решетку железа

По влиянию на матрицу – железную атомную решетку – легирующие элементы делятся на две категории:

  • Стабилизаторы аустенита. Эти легирующие элементы расширяют аустенитную область на диаграмме состояния и способствуют образованию аустенита. Это – никель, кобальт, марганец, медь, углерод и азот.
  • Стабилизаторы феррита. Эти легирующие элементы сокращают аустенитную область диаграммы состояния и способствуют образованию феррита. К этим легирующим элементам относятся: кремний, хром, вольфрам, молибден, фосфор, алюминий, олово, сурьма, мышьяк, цирконий, ниобий, бор, сера и селен.

Взаимодействие легирующих элементов с углеродом

По взаимодействию с углеродом в стали легирующие элементы делят на следующие две категории:

  •  Легирующие элементы, образующие карбиды: марганец, хром, молибден, ванадий, вольфрам, ниобий, титан и цирконий. При небольших концентрациях они  образуют твердый раствор в цементите, а при высоких концентрациях – образуют стабильные карбиды. В отличие от других легирующих элементов марганец только растворяется в цементите.
  •  Легирующие элементы, не образующие карбиды: никель, кобальт, медь, кремний, фосфор и алюминий. Эти легирующие элементы не взаимодействуют с карбидами в стали и обычно находятся в матрице сплава – железной атомной решетке.

Источник: Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies, ed. G. E. Totten, 2006