Легирующими элементами в стали являются элементы, специально вводимые в сталь с целью изменения ее свойств. Сталь, в состав которой введены легирующие элементы, называется легированной. К числу наиболее часто используемых специальных легирующих элементов относятся Сг, Ni, Mo, Ti, W, V, а также Мn и Si, если количество этих элементов в стали превосходит содержание их в углеродистой стали. Свойства легированных сталей в значительной степени определяются тем, какие фазы образуются при сплавлении легирующих элементов с железом и углеродом.
Легирующие элементы с железом образуют твердые растворы. Многие легирующие элементы с углеродом образуют карбиды.
В легированных сталях наряду с железом всегда присутствует углерод, с которым многие легирующие элементы могут вступать во взаимодействие и образовывать специальные карбиды.
Все легирующие элементы понижают содержание углерода в перлите. Легирующие элементы, кроме Ni и Mn, повышают температуру эвтектоидного превращения стали.
Влияние легирующих элементов на механические свойства феррита и стали в равновесном (отожженном) состоянии. Легирующие элементы в стали могут быть в твердом растворе, в карбидной фазе или в виде интерметаллических соединении. В легированных твердых растворах железа повышается предел текучести (σт), предела прочности (σв) и твердости НВ. На рис. 5.14, а, б, в показано влияние различных легирующих элементов на прочность, пластичность и вязкость феррита. Особенно благоприятно влияние никеля на механические свойства феррита, так как никель одновременно повышает и сопротивление пластической деформации, и пластичность. Такое влияние никеля сохраняется и в сложнолегированных сталях, в состав которых входит этот элемент. Поэтому никель является ценным легирующим элементом в сталях.
Частицы карбидных или интерметаллических соединений в структуре стали механически тормозят перемещение дислокации в твердом растворе. Если легирование сопровождается измельчением блочной структуры и уменьшением величины зерна стали, то это приводит к увеличению сопротивления хрупкому разрушению. В большинстве случаев легирующие элементы при относительно небольшом количестве их в стали (конструкционная сталь) содействуют образованию мелкозернистого феррита и благодаря этому повышают сопротивление стали хрупкому разрушению. Исследованиями Е. М. Савицкого показано весьма благоприятное влияние на свойства сталей редкоземельных элементов (РЗМ) за счет измельчения зерна, очищения границ зерна от оксидов, сульфидов.
Легирующие элементы, упрочняя сталь, ухудшают обрабатываемость резанием, штампуемость, но положительно влияют на технологические свойства стали при термообработке.
Главная трудность использования возможности улучшения механических свойств стали в равновесном состоянии легированием заключается в том, что достижение высокой прочности связано с применением элементов, ухудшающих вязкость стали. Введение же элементов, повышающих вязкость, не сопровождается существенным увеличением прочности. Поэтому возникает необходимость комбинированного легирования, т.е. введения элементов с противоположным влиянием. Однако и в этом случае не удается получить решительного улучшения свойств стали. Отсюда вытекает важный вывод: равновесное или близкое к нему состояние не отвечает предельному использованию всех резервов свойств легированных сталей. Поэтому детали, изготавливаемые из легированных сталей, обязательно должны подвергаться термической обработке.