Влияние легирующих элементов на фазовые составляющие стали

Легирующие элементы, введенные в сталь, по−разному взаимодействуют с основными компонентами стали − железом и углеродом, что определяет и своеобразие их влияния на свойства сталей и протекание процессов при нагреве и охлаждении при сварке. С основой стали − железом легирующие элементы дают растворы замещения. Имея различия по атомным радиусам и энергетическому состоянию атомов, легирующие элементы по-разному влияют на феррит. Как правило, легирующие элементы повышают прочность и понижают пластичность феррита.

Таким образом, легируя феррит и меняя уровень энергетических связей, легирующие элементы меняют температуру полиморфных превращений. Они влияют на активность и диффузионную подвижность атомов углерода в растворе. Такая роль легирующих элементов в изменении состояния растворенного углерода и участие их в карбидообразовании определяют воздействие их на процессы превращений, связанные с диффузионной подвижностью углерода.

По степени увеличения химического сродства к углероду легирующие элементы располагаются в следующем порядке Mn, Cr, W, Mo, V, Nb, Ti. В соответствии с этим V, Nb, Ti дают наиболее стойкие карбиды, которые практически не содержат другие элементы. С другой стороны, V, Nb, Ni мало растворяются в карбидах элементов с меньшим сродством к углероду. Сг, W и Mo могут давать свои карбиды, могут входить частично в карбид цементитного типа MeС. В карбидах этих элементов может содержаться и железо.

Степень химического сродства к углероду определяет и распределение элементов между ферритом и карбидами. Марганец с наименее низким сродством к углероду по сравнению с другими карбидообразующими элементами, легируя сталь больше чем другие такие элементы, легирует феррит. Хром, имея большее сродство к углероду, в большей степени, чем марганец уходит в карбиды и в меньшей степени, чем марганец переходит в феррит. Еще в большей степени связываются в карбиды вольфрам и молибден, и еще меньше их оказывается в растворе. Ванадий, ниобий и титан практически полностью связываются в карбидах, и очень мало этих элементов переходит в раствор.

Таким образом, для карбидов каждого элемента, а если элемент дает несколько карбидов, то для каждого типа карбида при определенной температуре и надлежащих условиях (достаточное время пребывания при этой температуре и содержание углерода и легирующего элемента), устанавливается концентрационное равновесие в системе карбид − твердый раствор. Это равновесие должно сдвигаться в сторону понижения содержания легирующего элемента в феррите в случаях повышения степени химического сродства легирующего элемента к углероду.

Равновесие концентраций должно существовать и для углерода, т.е. карбиду каждого легирующего элемента соответствует определенная концентрация углерода в феррите. Одновременно содержание углерода в феррите понижается с повышением его термодинамической активности в растворе под влиянием находящихся в растворе легирующих элементов.