Легуючі елементи роблять різний вплив на аллотропические перетворення в залозі, на карбідну фазу, на фазові перетворення в сталі.
За впливом на аллотропические перетворення в залозі легуючі елементи поділяють на елементи, що дають відкриту область # 947; -фази (Мо, Ni, Co, Cu) і замкнуту область # 947; -фази (Cr, V, W, Mo, Si, Ti і ін.).
Елементи, що розширюють # 947; -область, підвищують точку А4 і знижують точку А3. Елементи, які звужують # 947; -область, знижують точку А4 і підвищують точку А3.
Легуючі елементи в стали можуть перебувати в карбідної фази і в твердому розчині в залозі (феррите або аустените). До елементів, здатним утворювати карбіди, відносяться: Mn, Cr, W, V, Mo, Ti і ін.
При невеликому вмісті карбидообразующие елементи розчиняються в цементиті з утворенням так званого легованого цементиту по загальній формулі:
де М-легуючий елемент.
Наприклад, якщо в цементиті розчинений Mn, утворюється карбід (Fe, Mn) 3 С, якщо розчинений Cr, то утворюється карбід (Fe, Cr) 3 C і т.д.
При збільшенні вмісту карбидообразующих елемента утворюються самостійні карбіди даного елемента з вуглецем, так звані спеціальні карбіди. наприклад Cr7 C3. Mo2 C, W2 C, VC, TiC і ін.
Вольфрам і молібден при їх кількості, що перевищує межу насичення цементиту, утворюють подвійні карбіди:
Карбіди легуючих елементів володіють вищою твердістю, ніж карбід заліза Fe3 С,
Елементи, що не утворюють карбідів в сталі, Ni, Si, Co, знаходяться в ній головним чином в твердому розчині-вферит або аустените. Карбидообразующие елементи теж здатні частково розчинятися в аустените і феррите. При розчиненні в фериті відбувається заміщення атомів заліза атомами легуючого елемента.
Легуючі елементи по-різному впливають на механічні властивості фериту. Марганець і кремній, значно підвищуючи твердість, одночасно різко знижують в'язкість фериту. Вольфрам і молібден незначно підвищують твердість, але знижують в'язкість фериту. Хром в дуже малому ступені впливає на твердість і в'язкість фериту. Нікель надає найбільш сприятливий вплив на ферит; досить інтенсивно підвищує твердість, не знижуючи при цьому в'язкості.
Елементи, які звужують # 947; -область, підвищують, а елементи, що розширюють # 947; -область, знижують критичну точку А1. Точка S при наявності в стали будь-якого з легуючих елементів зсувається вліво, що призводить до зменшення вмісту вуглецю в легованому перліті. Крапку Е легуючі елементи теж зрушують вліво, але особливо сильно це зрушення спостерігається в сталях, легованих елементами, сужающими область # 947; -фази.
Легуючі елементи дуже великий вплив мають на ізотермічний розпад аустеніту. Всі елементи, за винятком кобальту, уповільнює процес ізотермічного розпаду аустеніту. Але в залежності від здатності утворювати карбіди легуючі елементи надають принципово різний вплив на ізотермічний розпад аустеніту. Елементи, що не утворюють карбідів (нікель і ін.), А також магній, збільшуючи стійкість аустеніту, не впливають на характер ізотермічної кривої, яка залишається такою ж С-образної, як для вуглецевої сталі, тільки розташовується правіше від осі ординат, за винятком З , що зрушує діаграму вліво.
Карбидообразующие елементи (Cr, W, Mo, V і ін.) Не тільки уповільнюють розпад аустеніту, а й змінюють характер кривої ізотермічного розпаду. Як видно з кривих, при ізотермічному розпаді аустеніту в сталях, легованих карбидообразующих елементами (в даному випадку Cr), спостерігаються дві зони мінімальної стійкості аустеніту і між ними зона максимальної стійкості аустеніту.
Збільшуючи стійкість аустеніту, легуючі елементи (за винятком кобальту) зменшують критичну швидкість загартування і тим більшою мірою, чим далі від осі ординат розташовуються криві ізотермічного перетворення. Це має велике практичне значення, тому що чим менше критична швидкість загартування, тим менш інтенсивний охолоджувач можна застосовувати при загартуванню. Тому леговані стали при загартуванню охолоджують в маслі.
З стійкістю аустеніту і критичною швидкістю гарту пов'язана і прокаліваемость. Чим більше стійкість аустеніту і менше критична швидкість загартування, тим глибше прокаліваемость. Тому всі елементи (за винятком кобальту) збільшують прокаливаемость.
Легуючі елементи багатодітній родині і вплив на зростання зерна аустеніту при нагріванні. Всі легуючі елементи, за винятком марганцю, зменшують схильність аустенітного зерна до зростання. Марганець, навпаки, сприяє зростанню зерна. Елементи, що не утворюють карбідів в сталі (Ni і ін.), Мало впливають на зменшення схильності аустенітного зерна до зростання. Значно більшою мірою перешкоджають росту аустенітного зерна карбидообразующие елементи (Cr, Mo, V, W, Ti), що пояснюється чисто механічним перешкодою, який чинять карбіди росту зерна. Крім гальмуючого дії карбідів, на зменшення швидкості росту аустенітного зерна впливають також оксиди: оксид алюмінію (Al2 O3), окис титану (TiO2) і ін.
Крихкість в другій зоні, як це видно з кривої ударної в'язкості, проявляється тільки в тому випадку, якщо сталь з температури відпустки охолоджується повільно. При швидкому охолодженні ударна в'язкість з підвищенням температури безперервно підвищується, і крихкості не спостерігається.
Крихкість при повільному охолодженні з температури високого відпустки виникає внаслідок збагачення прикордонних зон зерен фосфором. Характерною особливістю відпускної крихкості другої зони є її оборотність. Якщо тендітну сталь знову нагріти до температури 500-600 0 С і швидко охолодити, то сталь стане в'язкою.
Введення в сталь невеликої кількості молібдену (0,2-0,3%) або вольфраму (0,5-0,7%) значно зменшує схильність до відпускної крихкості в другій зоні.
Легуванням стали (різними елементами в різній кількості) і застосуванням відповідної термічної обробки можна отримати в порівнянні з вуглецевою сталлю велику в'язкість при однаковій міцності, велику міцність при однаковій в'язкості і навіть вищі і міцність, і в'язкість.
Але перевага легованих сталей в порівнянні з вуглецевими полягають не тільки в більш високих механічних властивостях. Легуванням можна змінити і фізико-хімічні властивості стали, отримати сталь нержавіючу, кислотостійку, жароміцних, немагнітну, магнітну, з особливими тепловими і електричними властивостями.