Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими элементами.

Сталь считается легированной хромом и никелем, если содержание их один или более процентов, молибденом, титаном, ванадием, ниобием и др., если их больше 0,1…0,5 %. Сталь легирована марганцем и кремнием, если их больше 0,8 % и 0,5 % соответственно.

Легированные стали очень широко применяются в теплоэнергетике для изготовления барабанов, пароперегревателей и паропроводов паровых котлов, роторов турбин, деталей арматуры.

Необходимый комплекс свойств достигается не только легированием, но и рациональной термической обработкой, в результате которой получается необходимая структура.

По влиянию на температуру полиморфных превращений железа легирующие элементы делятся на две группы:

1. увеличивающие устойчивость аустенита (расширяют область g-модификации) Ni, Mn, C, Cn, N, Pt, и др.(рисунок 46, а);
2. увеличивающие устойчивость феррита (расширяют область a-модификации) Cr, Mo, Si, W, Ti, Sn, Al и др.(рисунок 46, б).

При содержании легирующих элементов больше в % или с % стали при комнатной температуре имеют однофазную структуру аустенита или феррита и будут относиться к сталям аустенитного или ферритного классов. При нагреве фазовые превращения в них не происходят и они не упрочняются термической обработкой (закалкой).

а — стали первой группы; б — стали второй группы

По отношению к углероду легирующие элементы подразделяются на две основные группы:

1. Элементы, не образующие карбидов – никель, кобальт, кремний, алюминий, медь.
2. Элементы, образующие карбиды – хром, марганец, вольфрам, молибден, ванадий, титан, ниобий, тантал, цирконий, гафний. Эти элементы с углеродом дают устойчивые простые или сложные карбиды.

Простыми карбидами называются химические соединения типа Fe₃C, Mn₃C, Cr₇C₃, сложными карбидами – Fe₃Mo₃C, Fe₃W₃C и т. д.

Карбиды в сталях образуются только металлами, расположенными левее железа в Периодической системе Д.И. Менделеева.

Карбиды, образованные легирующими элементами, обладают высокой твердостью и хрупкостью, По отношению к карбиду железа Fe₃C они менее хрупкие и более твердые.

По степени химического сродства к углероду химические элементы располагаются в ряд: Fe, Mn, Cr, Mo, W, Nb, V, Ta, Zr, Ti. Элементы, расположенные в начале ряда (Fe, Mn и др.), образуют менее устойчивые карбиды; при нагревании они легко диссоциируют.

Элементы, находящиеся в конце ряда (Zr, Ti), образуют более устойчивые карбиды; диссоциация их происходит лишь при температурах, значительно превышающих критические точки стали.