Сталь, що містить в своєму складі спеціально введені елементи, відсутні в звичайної вуглецевої сталі, або має підвищену проти допускається в вуглецевої сталі кількість кремнію і марганцю, називається легованої.

Елементи, що вводяться при цьому в сталь, називають легуючими. Найбільш застосовними з них є: Сг, Мп, Ni, Si, W, Mo, V, Ti, Cu, Co, Al, B, Nb, Zr. Особливо часто в сучасній практиці сталь легується першими сімома елементами.

Вміщені в стали легуючі елементи визначають її назву за складом, наприклад: хромистая, хромонікельвольфра-мовая і т. Д., Що вводяться в сталь легуючі елементи вступають у взаємодію з залізом і з вуглецем, в результаті чого відбувається зміна всього комплексу механічних, фізичних і хімічних властивостей стали. Вплив на властивості стали в корисному напрямку і становить завдання її легування.

Перш ніж приступити до опису впливу легуючих елементів на властивості стали, зупинимося на розгляді відносини легуючих елементів до основних компонентів стали - залозу і вуглецю, при утворенні сплавів.

Характер взаємодії легуючих елементів з залізом при утворенні сплавів з ним підпорядковується загальної теорії сплавів і визначається наступними основними факторами:

1) будовою зовнішніх (валентних) електронних оболонок атомів;

2) співвідношенням атомних розмірів заліза і легуючих елементів.

Переважна більшість легуючих елементів має відносно подібне з залізом будова зовнішніх електронних оболонок і тому близькі з ним електрохімічні властивості. Зокрема, найважливіші легуючі елементи (Мп, Сг, Ni) є сусідами з залізом в ряду напруги металевих елементів. У той же час атомні розміри легуючих елементів не відрізняються істотно від розмірів атомів заліза.

Ці обставини і визначають той факт, що легуючі елементи в сплавах з залізом, в межах концентрацій, що зустрічаються в стали, як правило, утворюють тверді розчини заміщення. Виняток становить В, а також елементи-гази Н3, N2, 02, які розчиняються в залозі за типом впровадження. Нерозчинні в залозі елементи для легування стали не застосовуються.

При більш уважному розгляді факторів, що визначають характер взаємодії легуючих елементів у сплавах із залізом, можна встановити по Юм.-Розера і І.Корнілова в наступні закономірності.

1. Елементи з атомним радіусом, який вирізняється менш ніж на 8% від атомного радіусу заліза, утворюють в сплавах з ним тверді розчини заміщення з широкими межами взаємної розчинності.

Повна ж взаємна розчинність в твердому стані спостерігається в тому випадку, якщо введення легуючого елемента не супроводжується зміною концентрації валентних електронів, що припадають на кожен атом сплаву (залізо і легуючий елемент мають однакову валентність), або збільшення електронної концентрації при введенні елемента з більшою валентністю не перевищує деякого критичного значення (Fe ^ = 1,36, Fea - 1,48), пов'язаного з системою просторового заповнення кристалічної решітки.

Іноді вказується, що для повної взаємної розчинності необхідно, щоб легуючий елемент мав однакову з f-або а-залізом кристалічну решітку. Однак подібність кристалічної структури при утворенні твердих розчинів заміщення слід розглядати по Н. В. Агєєва лише як наслідок головної умови - збереження електронної концентрації на постійному рівні або принаймні нижче її критичного значення.

2. Елементи з атомним радіусом, що відрізняється від атомного радіусу заліза на величину від 8 до 15%, також утворюють з залізом тверді розчини заміщення, але зі значно більш обмеженими межами розчинності. Межа розчинності елементів в залозі зі збільшенням різниці атомних радіусів в діапазоні зазначених значень незмінно знижується. На межа розчинності робить вирішальний вплив також концентрація валентних електронів, що припадають на один атом сплаву.

При введенні легуючих елементів з більшою, ніж у заліза валентністю, межа розчинності буде досягнуто як тільки електронна концентрація зросте до критичної позначки. Отже, чим вище валентність вводиться елемента в порівнянні з залізом, тим нижче його межа розчинності в останньому.

3. Елементи з атомним радіусом, що становить 63% і менше атомного радіусу заліза, утворюють в ньому тверді розчини впровадження. характерною особливістю

Твердих розчинів впровадження є низька межа розчинності; в більшості випадків в а-залозі він не перевищує десятих і навіть сотих часток відсотка.

4. Якщо легуючі елементи додаються при сплаву з залізом в кількостях, що перевищують їх межа розчинності в твердому стані, то вони вступають в хімічний зв'язок з залізом, утворюючи з'єднання або частіше так звані проміжні фази.

Останні наближаються за своєю природою до істинних хімічних сполук, але відрізняються від них деякими особливостями кристалічної будови і змінним складом. Однак легуючі елементи, як правило, присутні в стали в кількостях нижче їх межі розчинності в залозі, і тому зазначені фази, за рідкісним винятком, в технічних сортах стали не спостерігаються.

5. Фактично тільки Ni і Со мають повну взаємну розчинність з залізом в твердому стані при всіх температурах. Mn, \ "Cr, V в сплавах з Fe непосредственно.после затвердіння також утворюють тверді розчини з необмеженою розчинністю, але при подальшому охолодженні, в певному інтервалі концентрацій, в них відбувається утворення проміжних фаз.

Всі інші легуючі елементи мають обмежену розчинність в залозі, граничне значення якої в залежності від температури легко встановлюється по діаграмах стану сплавів заліза з відповідними елементами.

Розчинені в залозі атоми легуючих елементів, що мають дещо відмінні від заліза розміри, а також будова внешни-х електронних оболонок порушують загальну симетрію електричного поля решіток заліза, т. Е. Виробляють їх спотворення, в результаті чого спостерігається зміна фізичних, механічних і хімічних властивостей сплавів . Зрозуміло, що присутність в сплавах хімічних сполук і проміжних фаз також відбивається на комплексі їх властивостей.

Дія легуючих елементів на механічні властивості заліза помітно проявляється навіть у тих випадках, коли ці елементи присутні в твердому розчині в сплавах з залізом в невеликих кількостях, порядку декількох відсотків.

Тут видно, що всі легуючі елементи в тій чи іншій мірі зміцнюють ферит, підвищуючи його твердість. Особливо ефективно в цьому відношенні дію Мп, Si і Ni. Разом з тим легуючі елементи мають вирішальний, але не однозначне вплив на ударну в'язкість фериту. Дія Si, W і Мо явно негативне. Добавка Мп і Сг спочатку (до 1%)

Легована сталь призводить до підвищення ударної в'язкості, однак подальше збільшення вмісту цих елементів в а-розчині (феррите) відзначається зниженням в'язкості. Тільки нікель, викликаючи зміцнення фериту, одночасно не погіршує ударної в'язкості останнього. У цьому по суті і полягає його цінна особливість як легуючого елемента в сплавах з залізом.

З факту впливу легуючих елементів на механічні властивості фериту випливає важливий висновок про те, що одне тільки їх присутність в твердому розчині може надавати помітний вплив на механічні властивості стали.

Тим часом, як буде зазначено далі, легуючі елементи завжди в ТОЙ чи іншій мірі виявляються розчиненими в феритної складової стали.

Отже, раціональніше легування застосовується в іезакаленіом стані стали обов'язково повинно бути також пов'язане з дією елементів на механічні властивості фериту.

Однією з найважливіших особливостей впливу легуючих елементів у сплавах із залізом є їх дія на аллотропические перетворення, яке проявляється в зміщенні температурних меж аллотропических перетворень при нагріванні і охолодженні, в порівнянні з тими температурами, які спостерігаються у чистого заліза (наприклад, при 906 ° перетворення)

В рівноважних умовах (при повільному нагріванні і охолодженні) за характером дії легуючих елементів на аллотропические перетворення їх можна розділити на дві основні групи:

1) групу нікелю, що включає Ni, Со, Мп, Си (сюди ж можна віднести N і С);

2) групу хрому, що включає Сг, Mo, W, V, Si, Ti, А1, В, Nb, Zr.

Вплив елементів групи нікелю полягає в поступовому зниженні температури перетворення (точки Л3), при одночасному підвищенні температури перетворення Ь (точки / 14) у міру збільшення кількості введеного елемента. Такий характер дії елементів в загальному вигляді (схематично) і на конкретному прикладі системи Fe-Ni показаний.

Тут видно, що в міру збільшення в сплаві легуючого елемента область фази розширюється і вище певної концентрації (більше 30% № у системі Fe-Ni) сплави при всіх температурах до розплавлення знаходяться в стані \ "- твердого розчину. Іншими словами, такі сплави не відчувають аллотропических перетворень при їх нагріванні від кімнатної температури (крива CD являє магнітне перетворення - нефазовое).

Тут видно, що в результаті зазначеного дії елемента область f-фази при відомому його кількості повністю замикається. У сплавах системи Fe - Сг область f-фази виявляється замкнутою при вмісті хрому близько 14%. Це означає, що сплави, що містять більше 14% хрому, не відчувають аллотропических перетворень і при всіх температурах в твердому стані представляють одну фазу - а-твердий розчин.

Іншою істотною особливістю впливу легуючих елементів на перетворення в сплавах з залізом є підвищенням схильності -твердих розчинів до переохолодження. Особливо ефективно в цьому напрямку дію Сг, Мп і Ni. В результаті вищевказаного, залізо, леговане Сг, Мп або Ni, навіть в тих випадках, коли зміст цих елементів не перевищує декількох відсотків, набуває подібно стали здатність гартуватися при швидкому охолодженні (у воді) від температур нагрівання, що відповідають стану твердого розчину.

Твердість при цьому зростає на 100-200 одиниць по Бринелю, а структура набуває голчасті, подібне мартенситу, будова, т. Е. Виходить ніби гарт безуглеродістого легованого заліза. Причиною гарту легованого заліза служить зміна механізму аллотропического перетворення в умовах швидкого охолодження.

Справа в тому, що легований Сг, Мп або Ni-тверді розчин при швидкому охолодженні (загартуванню у воді) виявляється переохолодження до температур 500-400 ° і нижче.

При таких відносно невисоких температурах протягом аллотропического перетворення f - а за звичайним диффузионному типу, т. Е. Шляхом зародження центрів кристалізації і подальшого поступового їх зростання, виявляється виключеним з огляду на малій швидкості дифузії атомів заліза і легуючих елементів.

Єдино можливим в цих температурних умовах є Бездифузійний характер аллотропического перетворення - а по мартенситному типу, т. Е. Так, як спостерігається при розпаді переохолодженого аустеніту стали на мартенсит в той момент, коли - (- залізо перетворюється в а-залізо.

Що ж стосується підвищення твердості при загартуванню легованого заліза, то вважають, що вона обумовлена, в основному, виникненням наклепу кристаликів а-заліза внаслідок перетворення, що супроводжується зміною питомої обсягу фаз. Можливо також, що підвищена твердість загартованого фериту до деякої міри пов'язана з більшою дрібнозернистістю, що виходить при утворенні голчастою структури.

Загартований голчастий ферит зберігає свою будову і високу твердість при нагріванні до температури порядку 500-550 °. При цих температурах виникає його рекристалізація і він набуває поліедріческіх (зернисте) будова.

Оскільки феритної основа стали відчуває при високому відпустці після гарту структурні зміни, аналогічні тим, які спостерігаються при нагріванні до температур високого відпустки у голчастого фериту, слід вважати, що високий відпустку загартованої сталі супроводжується також і процесами рекристалізації а-фази.