2.5 Термодинамічна активність вуглецю в залізі

Термодинамічна активність вуглецю багато в чому визначає його поводження у твердому розчині: розчинність, дифузійну рухливість, здатність до виділення і т.д.

Легуючі елементи впливають на активність вуглецю.

Активність елемента визначається як:

де - коефіцієнт термодинамичної активності,

- атомна частка елемента.

Коефіцієнт у; характеризує сили зв'язку елемента з гратами розчинника, тобто рухливість і здатність до виділення з ґрат.

При легуванні фериту й аустеніту змінюється вільна енергія вуглецю, що зв'язана з його активністю.

G=R T ln

де R - газова постійна;

Т - абсолютна температура, К.

Щоб оцінити вплив легуючого елемента на активність вуглецю в легованому розчині ( ), його порівнюють з активністю в нелегованому залізі з тим же змістом вуглецю:

∆G=R T ln ( )

∆G= R T ln ( )

∆G= R T ln ( )

∆G= R T ln

де - відносний коефіцієнт активності вуглецю.

Відносний коефіцієнт активності вуглецю характеризує вплив легуючого елемента на активність вуглецю.

Якщо > 1, то легуючий елемент підвищує активність вуглецю, якщо <1 — легуючий елемент зменшує його активність.

Фізична сутність зміни полягає в тому, що легуючі елементи в розчині змінюють міцність зв'язку між атомами металу і вуглецю.

Карбідоутворюючі елементи збільшують міцність зв'язку вуглецю з атомами легуючого елемента, підвищуючи імовірність перебування атомів вуглецю в межвузліях, притягають атоми вуглецю і знижують рухливість вуглецю у твердому розчині.

Зворотна картина спостерігається для некарбідоутворюючих елементів. Вони підвищують активність вуглецю, збільшуючи тенденцію до виділення вуглецю з твердого розчину.

Фіг. 17. Вплив легуючих елементів на активність атомів вуглецю

Вплив легуючого елемента на термодинамічну активність вуглецю в аустеніті важлив в таких процесах, як розчинення карбідів, карбонітридів і нітридів в аустеніті, виділення їх із твердого розчину при охолодженні, перерозподіл елементів між фазами при термічній обробці.

Важливо! Легуючі елементи впливають на термодинамічну активність вуглецю тільки в тому випадку, коли вони розчинені у твердому розчині.

2.6. Інтерметаліди

Інтерметаліди - фази, що утворюються в результаті взаємодії легуючого елемента з основним компонентом сплаву (залізом) або іншим легуючим елементом.

Відомо приблизно 1300 інтерметалідних фаз.

Відмітна ознака цих з'єднань - наявність у них нових кристалічних ґрат, відмінних від ґрат складових їхніх фаз.

Інтерметаліди утворяться і виконують роль зміцнюючий фази у високолегованих сталях з низьким змістом вуглецю (< 0,3%): деяких швидкорізальних (У11М7Д023), штампових з мартенситним перетворенням (ХН70ВМТЮ4), аустенітних (08Х18Н10Т).

Інтерметалідні фази подібно карбідам можуть бути цілком розчинними в аустеніті і надлишковими.

Основні типи інтерметалідних фаз.

1. Фази з гексагональними або ромбічними ґратами типу (Fе,Со)7(W,Мо)6 - у сталях високої теплопровідності, легованих кобальтом, вольфрамом і молібденом (наприклад, У11М7Д023, У4М12Д023). Поводження інтерметалідів подібно карбідам у сталях з карбідним зміцненням.

Після загартування і високої відпустки інтерметаліди виділяються з аустеніту. Твердість зростає до 68-69НRС, теплостійкість - до 720°С.

2. Електронні з'єднання або фази Юм-Розері. Мають ОЦК, ГЦК або ГПУ грати. Структура фаз визначається електронною конфігурацією, тобто співвідношенням числа валентних електронів до числа атомів в осередку.

При відношенні числа валентних електронів до числа атомів рівному 3/2 утворяться β -фази з ОЦК ґратами.

Приклад: алюмініди FеАІ, СоАІ, NiА1.

β-фази мають високу жароміцність і стійкістю проти окислювання і газової корозії. Використовуються у виді матеріалів і покрить у космічній техніці.

3. Так називані σ-фази: мають тетрагональну або складну ромбоедрічну ґрати. Не мають постійного стехіометричного складу.

Виявлені в Fе-Сг сплавах як крихка складова. Приводять до окрихчування сталей і сплавів після витримки при 500-900°С. В інструментальних сталях з низьким змістом вуглецю можуть бути присутнім у виді Fе3W2 або Fe3Мo2. Кількість їх незначна.

4.Фази типу (Ni,Fе)₃Ті або (Ni,Ре,Сг)₃(Ті,А1). Спостерігаються в аустенітних сплавах. Ґрати - ГЦК (у') або ОЦТ (у").

Завдяки когерентному зв'язкові з ґратами основного розчину і високій температурній стабільності і пластичності є сприятливими, тому що зміцнюють сплав без окрихчування. Зміцнення стабільне до високих температур.

Часто ці інтерметаліди називають геометрично щільнопакунковими фазами.

5. Фази Лавеса (наприклад, (Fе,Ni,Со)₂Мо) мають кубічні або гексагональні ґрати.

Утворення фаз Лавеса приводить до незначного окрихчування сталі, однако воно менш небезпечно, чим виділення о-фази, особливо при підвищених температурах.

Виділення фаз Лавеса використовують у теплостійких і жароміцних сплавах для зміцнення при одночасному збереженні в'язкості.

Інтерметаліди відрізняються від карбідів наступним:

- вони утворюються при кристалізації без евтектичного перетворення, тому розподілені по тілу зерна значно равномірніше, чим карбіди;

- інтерметаліди дисперсні (5-20 нм) при відстані між частками до 100 нм;

- завдяки однорідному розподілові часток, окрихчуючий вплив інтерметалідів нижче, ніж карбідів;

- температура розчинення при нагріванні в інтерметалідів вище, ніж у карбідів (1200-1300°С).

Загальне в інтерметалідів і карбідів:

- і ті й інші досить ефективно стримують ріст зерна аустеніту при нагріванні;

- при відпустці (старінні) вони виділяються з пересиченого твердого розчину, викликаючи дисперсійне твердіння.

Температура дисперсійного твердіння залежить від складу металевої основи і типу інтерметалідів що виділяються: для сталей з мартенситною основою - 500-550°С (А₃В) і 580-650°С (А₇В₆), для сталей з аустенітною основою - 750-800°С.