Оценка растворимости азота в мнокомпонентных сплавах на основе железа

реферат

Влияние температуры

Авторы работ исследовали растворимость азота в a-Fe при разных температурах с использованием как метода внутреннего трения, так и классических методов и предложили следующее уравнение для описания растворимости в a-Fe:

log CN (ОЦК) - -1575/Т - 1,009% N ,(1.1)

где CN - концентрация, Т - температура (К), % - массовый процент.

Растворимость газообразного азота при 1 атмосфере в ?-Fe изучалась авторами работ. Показано, что растворимость азота в гранецентрированной решетке ?-железа (910°С - 1400°С) значительно выше, чем в объемно-центрированной, и уменьшается с повышением температуры, для описания растворимости азота в y-Fe предложено уравнение:

log CN (ГЦК) = 450/Т - 1,955 % N ,(1.2)

Процесс растворения азота в ГЦК-железе является экзотермичным и сопровождается выделением теплоты 2060 кал/г-атом азота.

Растворимость азота в чистом жидком железе при 1600°С и давлении 1 атмосфера составляет 0,044% ,в зависимости от температуры растворимость азота в жидком железе описывается следующим уравнением:

log CN (жид) = -188/Т - 1,248 % N.(1.3)

Растворимость азота при 1 атм в а-, ?-, 5- и жидком железе в соответствии с уравнениям (1.1), (1.2) и (1.3) как функция от температуры представлена на рис. 2.1 Видно, что при температурах структурных превращений и в точке плавления абсорбционная способность железа скачкообразно изменяется.

Влияние легирующих элементов

На термодинамическое равновесие системы железо - легирующий элемент- газ, влияют не только температура и парциальное давление растворенного газа, но и концентрация легирующего элемента (R). Процесс растворения газа в сплаве Fe-R характеризуется тем же уравнением реакции (1.1), что и для чистого железа. Тождественны и термодинамические условия равновесия этих систем, поэтому в сравнимых условиях(р, Т) активность газа, растворенного в сплаве,равна активности этого газа, растворенного в чистом железе, т. е.

[См %] Fe = fNR [Cn %] Fe-R (3.1)

где fNR - коэффициент активности растворенного азота в бинарном металлическом сплаве Fe-R при Т = const и Р = const, описывающий влияние определенного содержания компонента R на растворимость азота в железе.

Коэффициент активности характеризует отклонение растворимости от закона Сивертса при данном содержании азота в металле. Уравнение изотермы абсорбции азота в металлах (2.1) в этом случае принимает следующий вид:

fN[CN%] = K(3.2)

Вагнер выразил влияние элементов сплава на коэффициент активности

(fN ) через параметр взаимодействия eNR , который является функцией температуры. В таблице 1.1 приведены рекомендуемые значения eNR для некоторых элементов в жидких бинарных сплавах при температуре 1600°С и в твердом у-растворе при 1200°С по данным.

Рис.1.1 Растворимость азота при 1 атм в различных модификациях железа в зависимости от температуры [1] (а), в жидких бинарных железных сплавах при 1600°С [17] (б)

Параметры взаимодействия первого порядка Таблица 1.1.

Элемент

eNR (1600°С )

eNR(1200°C)

Углерод

0,13

0,11

Кислород

0,00

0,00

Кремний

0,048

0,044

Титан

-0,45

Хром

-0,045

-0,095

Марганец

-0,020

-0,035

Никель

0,010

0,015

Используя табличные значения eNR, можно вычислить по формуле коэффициент активности азота в соответствующих сплавах Fe-R:

lgfNR = eNR (% R).(1.8)

Влияние элементов сплава на растворимость азота в жидком железе при 1600°С проведено по данным [17] приведено на рис. 1.7 б. Показано, что растворимость азота в жидком железе уменьшается в ряду В, С, Si, Со, Си, Ni, Р, S, и Sn и увеличивается в ряду Al, V, Nb, Сг, Та, Mn, Mo, Ti, W.

При сравнении значений eNR для жидких и твердых сплавов обнаруживается одинаковый характер зависимости параметров взаимодействия. Растворенные элементы, которые имеют большее сродство к азоту, чем к железу, уменьшают коэффициент активности (fNR) и увеличивают растворимость азота. Следовательно, растворимость азота в ?-Fe подчиняется закону Сивертса.

Вероятно, из-за низкой растворимости азота в a-твердом растворе мало исследований влияния элементов сплава на растворимость азота в этой фазе. Как в жидком железе, растворимость в a-Fe уменьшается в присутствии Si и Р [17] и увеличивается при добавлении Сг, Mn, V.

Влияние хрома. Исследованию растворимости азота в расплавах Fe-Cr посвящено много работ.Величина еNСr в жидких железохромовых сплавах при 1600°С близка к -0,045. Влияние малых количеств хрома (до 10%) на растворимость азота в аустените можно оценить по результатам работ. Среднее значение eNR при 1200°С, по данным [17], равно -0,095, при 1250°С равно -0,098 и соответственно -0,121 и -0,135 при 1150°С и 1050°С. Коэффициент активности азота, теплота и энтропия растворения азота при абсорбции уменьшаются с увеличением содержания хрома в сплавах Fe-Cr.

Исследования [16] показали, что в стали, выплавленной в промышленных условиях, содержание азота может составлять: 0,017-0,17% при 12-14% хрома; 0,020-0,22% при 16-18% хрома; 0,07-0,57% при 27-30% хрома. В сталях с 18% хрома при высокотемпературной обработке в богатых азотом атмосферах или в чистом азоте высокого давления происходит поглощение азота до 0,2%. В технической жаростойкой стали с 19% хрома и 2,3% кремния или 30% хрома и 0,5% кремния после нагревания ее на воздухе при 1100- 1200°С в течение 200- 1000 часов наблюдалось насыщение азотом до 0,5% [1].

Температурная зависимость (900°С -1400°С) растворимости азота в сплавах Fe- Cr представлена на рис. 1.8 а [17]. Растворимость азота как функция содержания хрома и температуры при 1 атм. приведена на рис. 1.8 б по данным [123]. Видно, что под влиянием растворенного азота в сплавах Fe-Cr увеличивается область у-фазы, как показано на рис. 1.2 б и 1.3 б.

Влияние никеля. В работах исследовано влияние Ni на растворимость азота, показано, что никель уменьшает растворимость азота в железе. С увеличением содержания никеля в сплаве растворимость азота уменьшается. При содержаниях Ni более 70 % растворимость становится менее 0,0005 %.

Влияние хрома и никеля. Растворимость азота в Fe-Cr-Ni сплаве была исследована авторами работ. Полученные данные свидетельствуют о невозможности предсказания растворимости азота в сплаве Fe-Cr-Ni, используя растворимости бинарных сплавов Fe-Cr и Fe-Ni, что вызвано взаимодействием между никелем и хромом.

Рис.1.8. Температурные зависимости растворимости азота в сплавах Fe-Cr при 1 атм азота [17] (а), [123] (б)

Влияние углерода. Углерод снижает растворимость азота в железе. Параметр взаимодействия eNR при 1600±50°С колеблется в пределах значений 0,125 - 0,135, а при 1200°С может быть принят равным 0,11 [99]. В области аустенитного состояния (до 0,8% С) растворимость азота возрастает с повышением температуры. В железоуглеродистых расплавах, отвечающих по составу химическому соединению БезС (6,7%С), азот практически не растворяется.

Влияние кислорода. Авторами работ показано, что кислород уменьшает растворимость азота в железе. Значения параметра взаимодействия eNR колеблются от 1,9 до 0,05 , такое различие данных объясняется сложностью проведения эксперимента. Растворимость азота в железе, содержащем 0,1% кислорода, при температуре 1600°С в 1,5 раза ниже, чем в чистом железе.

Таким образом, анализ представленных исследований о влиянии различных легирующих элементов на растворимость азота в жидком и твердом железе показал, что в хромсодержащих сплавах растворимость азота наибольшая.

Делись добром ;)