Азот в стали. Растворимость азота в железе и влияние его на свойства стали.

Растворимость азота в железе может быть описана уравнениями:

1/2N₂=[N];G⁰=21000+15,1T Дж

, .

Следовательно, и растворимость азота в соответствии с законом Сивертса пропорционально корню квадратному из величины его давления. Т.к. К_N меняется с температурой и различно для разных фазовых состояний, растворимость азота зависит от температуры и скачкообразно изменяется при аллотропических превращений и плавлении. Растворимость азота резко уменьшается при кристаллизации и во время превращения FeFe.

Другие элементы влияют на растворимость азота в жидком железе. Это влияние характеризуется параметрами взаимодействия. Их знак и величина показывают, что в порядке усиления влияния растворимость азота увеличивают Мо, S, Mn, Al, Cr, V, Ti. Понижают растворимость азота Ni, P, C.

Уменьшение растворимости азота в железе при кристаллизации во время превращения Fe_Fe_ является основной причиной влияния азота на свойства стали.

При отсутствии в стали элементов, образующих нитриды при высокой температуре (Ti, Al, Zr, V), после образования Fe начинается выделение азота из раствора в виде включений нитридов железа (Fe₂N,Fe₄N,Fe₈N). Это выделение может продолжаться длительное время после охлаждения и, т.к. оно происходит в основном при низкой температуре, выделяющиеся включения весьма дисперсные. Размер их порядка пикнометра.

Дисперсные включения нитридов железа располагаются по кристаллографическим плоскостям и, препятствуя перемещению дислокации, вызывают охрупчивание металла. Результатом этого является падение ударной вязкости и уменьшение относительного сужения и удлинения при одновременном повышении прочностных качеств и твердости. Как и выделение нитридов железа, падение ударной вязкости увеличивается с увеличением времени хранения и эксплуатации стальных изделий, достигая минимума через 20-30 суток. Поэтому описываемое явление получило название старения.

Присадка в сталь элементов, связывающих азот в нитриды при высоких температурах, устраняет склонность стали к старению. Такими элементами являются:

1) Алюминий, образующий нитриды в основном, во время затвердевания и в твердом металле до температуры превращения FeFe;

2) ванадий и цирконий, образующие нитриды во время кристаллизации;

3) титан, образующий нитриды в жидкой стали и во время кристаллизации.

Наибольшее применение получил алюминий, широко применяемый в качестве раскислителя. При обычных концентрациях азота и алюминия в стали нитриды образуются в твердом металле. Но включения этих нитридов, выделяясь при более высокой температуре (в областях существования Fe и Fe) имеют на два-три порядка большие размеры, чем включения нитридов железа. Поэтому они не оказывают такого влияния на движение дислокаций и не вызывают старения.

Вместе с тем, азот нашел применение как легирующий элемент для повышения прочностных свойств, коррозионной стойкости и немагнитных свойств, а также стабилизации  - фазы аустенитных коррозионностойких сталей. Улучшение механических свойств обусловлено образованием раствора, перенасыщенного азотом. Присутствие атомов азота, внедренных в решетку аустенита, вызывает ее искажение, вследствие чего улучшается прочность и не ухудшаются другие свойства. Стабилизируется -фаза за счет расширения области ее существования.