1.2.5. Влияние легирующих элементов на термодинамическую активность углерода

Легирование феррита и аустенита различными элементами существенно влияет на поведение углерода (растворимость в твердом растворе, диффузионную подвижность, способность к выделению и т.д.). Наиболее полной характеристикой, определяющей поведение углерода в твердом растворе, является его термодинамическая активность (а_С).

а_С=_С∙ N_С,

где а_С– термодинамическая активность углерода;

_С– коэффициент термодинамической активности углерода;

N_С– атомная доля углерода.

Коэффициент термодинамической активности компонента характеризует силы связи его с атомами матрицы, т.е. его подвижность в твердом растворе, способность компонента оставаться растворенным или выделяться из раствора в другую фазу. Многие процессы фазовых превращений, протекающие в стали, определяются термодинамической активностью углерода и легирующих элементов.

Легирующие элементы, находящиеся в твердом растворе (феррите или аустените), изменяют силы связи или прочность связи между атомами металла и углерода.

Карбидообразующие элементы будут увеличивать прочность связи углерода с атомами легирующего элемента в твердом растворе, они повышают вероятность нахождения атомов углерода в междоузлиях вблизи узлов решетки, занятых атомами легирующего карбидообразующего элемента, «притягивают» к себе атомы углерода и понижают подвижность углерода в твердом растворе, т.е. уменьшают его термодинамическую активность. Некарбидообразующие элементы, замещающие атомы железа в твердом растворе, будут, наоборот, «отталкивать» атомы углерода, повышать их подвижность, т.е. увеличивают его термодинамическую активность, при этом будет проявляться тенденция к выделению углерода из твердого раствора.

Отношение коэффициентов термодинамической активности углерода в легированном и нелегированном железе представляет собой относительный коэффициент термодинамической активности углерода f_c. Он характеризует влияние легирующего элемента на активность углерода в железоуглеродистом сплаве.

Если f_c>1, а ln f_cимеет знак «+» легирующий элемент повышает активность углерода в феррите и аустените, если же f_c<1, (lnf_cимеет знак «–»), то легирующий элемент, наоборот, понижает активность углерода в твердом растворе.

К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал по влиянию легирования на термодинамическую активность углерода в аустените и относительно мало данных об активности углерода в легированном феррите. Это связано со значительными экспериментальными трудностями определения относительного коэффициента термодинамической активности углерода в феррите из-за значительно меньшего предела растворимости углерода в нем по сравнению с аустенитом.

Обобщенные по данным различных исследователей данные о влиянии легирующих элементов на относительный коэффициент термодинамической активности углерода в аустените приведены на рис.1.13.

Чем сильнее карбидообразующая способность легирующего элемента, т.е., чем левее по отношению к железу находится d-переходный металл в периодической системе, тем в большей степени понижается f_С< 1. Некарбидообразующие элементы в аустените Со, Ni, Si увеличивают значения f_С>1. Подобные данные для феррита имеются лишь по влиянию кремния.

Влияние легирующих элементов на термодинамическую активность углерода в аустените имеет большое значение в таких процессах, как растворение карбидов, нитридов и карбонитридов в аустените, выделение их из твердого раствора при охлаждении, перераспределение элементов между фазами в процессе термической обработки.

Рисунок 1.13 – Влияние концентрации (мольной доли) Nл.с.различных легирующих элементов на относительный коэффициент термодинамической активности углерода в аустените при 1000°С

В заключение необходимо отметить, что легирующие элементы оказывают влияние на термодинамическую активность углерода в твердом растворе лишь в том случае, если они растворены в этом твердом растворе, т.е. при определении возможности протекания того или иного процесса благодаря изменению термодинамической активности необходимо учитывать содержание легирующих элементов, растворенных в твердом растворе, а не их общее содержание в стали.