6- ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В СТАЛЯХ ПРИ СВАРКЕ

Кинетика процессов структурно-фазовых переходов при нагреве и охлаждении в значительной, а в ряде случаев в определяющей степени зависит от характеристик аустенита перед превращением — размера его зерна и степени гомогенизации по содержанию углерода и легирующих элементов, уровня дефектности. Поэтому для управления процессами структурообразования при сварке и термообработке необходимо знать закономерности влияния химических элементов на процессы структурообразования.

В общем случае для структуры реальных сплавов характерна микро- и макрохимическая неоднородность. Как известно, микрохимическая неоднородность характерна для литой структуры металла шва. Тело дендритов обеднено, а междендритные про-. слойки обогащены углеродом, легирующими и примесными химическими элементами. Макрохимическая неоднородность предопределяется наличием вторых фаз — карбидов, неметаллических включений в структуре металла шва, ЗТВ и основного металла.

В сплавах, содержащих неравновесные избыточные фазы, в процессе нагрева выше критических точек протекают следующие основные процессы: выравнивание концентрации внутри зерна аустенита, растворение неравновесных избыточных фаз, рост зерна аустенита.

Одновременно с процессом растворения включений второй фазы протекает процесс выравнивания химического состава в объеме всей структуры. Оба процесса контролируются диффузией углерода и легирующих элементов. Легирующие элементы в составе стали по-разному взаимодействуют с основными ее компонентами — железом и углеродом, что предопределяет различия в их влиянии на процессы, протекающие в металле при нагреве и охлаждении.

С основой стали — железом легирующие элементы дают растворы замещения. Как правило, они повышают прочность, снижают пластичность и вязкость металла. Исключение составляют марганец и никель, содержание которых в определенных количествах повышает вязкость стали.

Взаимодействие легирующих элементов с углеродом неоднозначно. С одной стороны, легирующие элементы, расположенные в периодической системе элементов левее железа, способны либо 104

непосредственно образовывать с углеродом карбид, либо заменять часть атомов железа в его карбиде. С другой стороны, леги-_ я феррит и изменяя энергетические условия взаимодействия с решеткой внедренных атомов углерода, легирующие элементы влияют на кинетику полиморфных превращений. Активность химических элементов как карбидообразователей тем сильнее и тем больше устойчивость образовавшихся карбидов, чем менее достроена ^-электронная полоса у атома. По степени увеличения степени сродства к углероду и повышения устойчивости элементы располагаются в следующий ряд: Мп, Сг, Мо: V, П. Поскольку карбиды, имеющие одинаковую химическую формулу, способны взаимно растворяться, то в сталях встречаются карбиды шести типов, которые можно объединить в две группы (Ме — сумма карби'дообразующих металлических элементов) [20]:

Iгруппа — Ме3С, Ме23Св, Ме7С3, Ме„С;

IIгруппа — МеС, Ме2С.

Карбиды группы I со сложной кристаллической решеткой при нагреве легко растворяются в аустените. Карбиды группы II, как фазы внедрения, имеющие простую кристаллическую решетку и кристаллизующиеся обычно со значительным дефицитом по углероду, термостойки и даже при высоких температурах могут не перейти в твердый раствор.

Для каждого карбидообразующего элемента существует определенное отношение его содержания в стали к содержанию углерода (Ме/С), при котором все количество углерода, имеющегося в стали, и все количество легирующих элементов оказываются связанными в виде карбида этого элемента. При Ме/С меньше критического значения избыток углерода будет образовывать цементит, при Ме/С больше критического избыток легирующего элемента будет растворяться, изменяя его свойства, как правило повышая прочность и снижая ударную вязкость.

Для наиболее равновесных условий существования карбидной фазы в низко- и среднелегированных сталях значения Ме/С приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Зависимость критического значения отношения Ме/С от температуры нагрева в течение 100 ч

Примечание. В числителе указано значение в процентах по массе, в знаменателе — в атомных процентах.