Легирующие элементы могут как повышать, так и понижать склонность стали к росту зерна аустенита в зависимости от природы самого элемента, его количества и характера распределения в стали. Недооценка этих факторов является причиной того разнобоя, который существует до сих пор в этом вопросе в научных публикациях. Нередко встречающиеся в литературе попытки разделить все легирующие элементы по их влиянию на величину зерна аустенита (без ограничения к тому же максимальной температуры нагрева) на два класса: замедляющие рост и ускоряющие рост зерна, должны решительно отбрасываться как механистические.
Наиболее эффективными замедлителями роста величины зерна являются элементы, образующие с углеродом стойкий, труднорастворимые при нагреве карбиды или нитриды. К таким элементам относятся: алюминий, цирконий, титан, ванадий, ниобий, тантал, вольфрам, хром и др. Из числа этих элементов только алюминий тормозит рост зерна благодаря образованию высокодисперсных нитридов с гранецентрированной кубической решеткой, а остальные элементы тормозят рост зерна благодаря образованию собственных карбидов (TiC, VC, NbC и т. д.). Влияние каждого из этих элементов ограничивается определенным температурным порогом, наиболее низким для алюминия. Уровень, точнее температурный интервал этого порога, для каждого элемента определяется условиями диссоциации и растворимости его соединений (карбидов, нитридов) в аустените. Один и тот же элемент (W, Сг), образуя при разном своем содержании в стали карбиды различного типа и свойств, может создавать в ней не один, а два и даже три температурных порога.
Превышение при термической обработке стали свойственного ей порога будет приводить к все возрастающему с температурой росту величины зерен, причем теперь темп этого роста может даже опережать темп, свойственный такой же стали, но не имевшей в своем составе сдерживающей (модифицирующей примеси). Наиболее эффективно тормозят рост зерна добавки ванадия и титана и наоборот — благоприятствует росту зерна микролегирование стали бором (при отсутствии титана).
Имеющиеся в литературе, указания на торможение бором роста зерна аустенита при нагревании не отвечают действительности, являясь чаще всего результатом подмены оценки влияния бора оценкой влияния сопутствующему ему в бористых сталях титана (ванадия или циркония), входящего в состав многих борсодержащих лигатур. Иными словами, при одновременном присутствии в стали двух или трех элементов с противоположным влиянием на величину зерна аустенита и на склонность его к росту при нагревании результирующим будет влияние сильнейшего из них, с учетом количественной стороны легирования.
Значительно менее четко выражено влияние на величину зерна и склонность его к росту при нагревании таких элементов, как никель, кремний, кобальт, медь. Легирующие сталь элементы, кроме марганца, тормозят рост зерен, но при этом количественная закономерность влияния каждого элемента не установлена. Легирующие сталь элементы многие условно разделяют на три группы:
1) увеличивающие величину зерна — Мп, Ni;
2) уменьшающие величину зерна — Si, Сг, Со;
3) не изменяющие величину зерна — Mo, Си, А1.
Данная классификация обосновывается с позиции влияния элементов на положение верхней критической точки, приписывая элементам, понижающим ее способность увеличивать величину зерна аустенита, и наоборот. Однако эта классификация не может быть принята, поскольку хорошо известна неоднозначность влияния таких элементов, как Si, Al и Ni — способность никеля тормозить рост зерна, а кремния и алюминия резко усиливать его. Так, некоторые исследователи отмечают, что феррит, легированный никелем, трудно сделать крупнозернистым, а нелегированное железо и кремнистый феррит мелкозернистым. Измельчающее влияние никеля на величину зерна в ферритоперлитных сталях является одной из главных причин снижения им порога хладноломкости.
Тормозящее влияние никеля и усиливающее рост зерна влияние кремния, а при больших содержаниях и алюминия, неоднократно обнаруживалось и в исследованиях свойств различнолегированных марок конструкционной стали.
Была сделана также попытка связать влияние легирующих элементов на склонность зерна аустенита к росту при нагревании с характером образующегося твердого раствора. Согласно этим представлениям элементы, образующие твердые растворы внедрения (С, В, N), ускоряют рост зерен аустенита, а образующие твердые растворы замещения замедляют его. Если первая часть этого положения, касающаяся влияния С, В и N, и не встречает возражений, то вторая часть оказывается неприемлемой. Достаточно напомнить о влиянии таких элементов, как фосфор и марганец, образующих с железом твердые растворы замещения и, вместе с тем, активно способствующих росту зерна аустенита, чтобы обнаружилась несостоятельность и этой теории.
Интересная попытка объяснения роли легирующих элементов недавно была предпринята некоторыми исследователями, высказавшими предположение, что характер и активность влияния легирующих элементов связаны с изменением сил межатомных связей, а отсюда с соответствующим изменением энергии активизации и скорости самодиффузии железа. Уязвимым местом этой теории является марганец — элемент, бесспорно, усиливающий склонность зерна аустенита к росту при нагревании и, вместе с тем, обязанный, согласно этим представлениям, оказывать противоположный эффект.
Отсюда видно, что металловедение не располагает законченной теорией, объясняющей механизм роста зерен, аустенита под влиянием того или иного элемента. Тем не менее накопленный наукой и практикой опыт позволяет уже сейчас уверенно оценивать, предугадывать и главное — влиять на поведение, при нагреве различных марок стали, позволяет добиваться нужной величины действительного зерна аустенита при всем многообразии применяемых режимов термической обработки.