Легирующими элементами называют элементы, специально вводимые в сталь для изменения ее строения и свойств. Соответственно стали, содержащие легирующие элементы, называются легированными. При этом, если содержание кремния превышает 0,4 % или марганца – 0,8 %, то они также относятся к легирующим элементам.
Концентрация некоторых легирующих элементов может быть очень малой. В количестве до 0,1 % вводят Nb, Ti, а содержание бора обычно не превышает 0,005 % . Если концентрация элемента составляет около 0,1 % и менее, легирование стали принято называть микролегированием.
Появление и широкое распространение легированных сталей обусловлено непрерывным ростом требований, предъявляемых к материалам по мере прогресса техники. Легирование производится с целью изменения механических (прочности, пластичности, вязкости), физических (электропроводности, магнитных характеристик, радиационной стойкости) и химических (коррозионной стойкости в разных средах) свойств.
Необходимый комплекс свойств обычно обеспечивается не только легированием, но и термической обработкой, позволяющей получать наиболее оптимальную структуру металла. Легированные стали дороже углеродистых, и поэтому применять их без термической обработки нерационально.
Применение легирующих элементов существенно влияет на себестоимость стали. При использовании тех или иных легирующих элементов руководствуются не только их влиянием на свойства стали, но и экономическими соображениями, в частности стоимостью добычи и получения, а также дефицитностью.
Основными легирующими элементами являются Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo, V, Al, Cu, Ti, Nb, Zr, В. Часто сталь легируют не одним, а несколькими элементами, например Cr и Ni, получая хромоникелевую сталь, Cr и Mn – хромомарганцевую сталь, Cr, Ni, Mo, V — хромоникельмолибденованадиевую сталь.
Легирующие элементы, вступая во взаимодействие с железом и углеродом, могут участвовать в образовании различных фаз в легированных сталях:
- легированного феррита – твердого раствора легирующего элемента в Feα;
- легированного аустенита – твердого раствора легирующего элемента в Feγ;
- легированного цементита – твердого раствора легирующего элемента в цементите или при увеличении содержания легирующего элемента сверх определенного предела – специальных карбидов.
Если проанализировать с помощью двойных диаграмм состояния систему железо – легирующий элемент, как легирующие элементы влияют на расширение области γ-твердого раствора железа (легированного аустенита) и, наоборот, на сужение области γ-твердого раствора и соответственно расширение области α-твердого раствора, т. е. легированного феррита, то по этому влиянию все легирующие элементы можно разделить на две группы: расширяющие область γ-твердых растворов – аустенитообразующие легирующие элементы и сужающие γ-область (расширяющие область α-твердых растворов) – ферритообразующие легирующие элементы.
К числу аустенитообразующих легирующих элементов относятся Ni, Mn, Со, Cu, С, N. К числу ферритообразующих легирующих элементов относятся Cr, Si, Al, Mo, V, Ti, W, Nb, Zr.
При легировании сталей аустенитообразующими элементами в большом количестве может произойти полное “выклинивание” области α-Fe, и в этом случае стали будут иметь аустенитную структуру при комнатной температуре – аустенитные стали.
Наоборот, при легировании сталей ферритообразующими элементами в большом количестве может произойти “выклинивание” области γ-Fe, и стали приобретут чисто ферритную структуру – ферритные стали.
При комбинированном легировании сталей аустенитообразующими и ферритообразующими элементами структура стали будет состоять из аустенита и феррита, а стали будут аустенитноферритные.
В большинстве конструкционных сталей феррит при температуре эксплуатации является основной структурной составляющей, занимающей не менее 90 % объема металла. Поэтому от свойств феррита во многом зависят свойства стали в целом. Чем больше разница в атомных размерах железа и легирующего элемента, тем больше искажение кристаллической решетки, тем выше твердость, прочность, но ниже пластичность и особенно вязкость феррита.
