Термодинамическая активность углерода в железе

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.

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. Так, в соот­ветствии с первым законом Фика, диффузионный поток определяется градиентом концентрации.

Однако на практике зачастую наблюдается «обрат­ная» или «восходящая» диффузия, т. е. диффузионный поток, протекает из областей с меньшей концен­трацией данного элемента в области с более высокойего концентрацией. В общем виде движущей силой диффузион­ных процессов является не градиент концентрации, а гра­диент химического потенциала или свободной энергии.

При легировании феррита и аустенита изменяется сво­бодная энергия углерода, которая связана с его актив­ностью.

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_c имеет знак «+» легирующий эле­мент повышает активность углерода в феррите и аустените, если же f_c < 1, (lnf_c имеет 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.

Физическая сущность изменения коэффициента f_c как в феррите, так и в аустените одна и та же и состоит в том, что легирующие элемен­ты, находящиеся в растворе, 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, то есть 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.

Чем сильнее карбидообразующаяспособность 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 аустенитеСо, 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.

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.

Контрольные вопросы

1. Как влияют аустенитообразующие элементы Ni и Mn на положение критических точек А₃ и А₄?

2. Как влияют ферритообразующие элементы Si и Al на положение критических точек А₃ и А₄?

3. Как влияют Mn, Si, Сu на положение критической точки Ас₁?

4. Как влияют W, Mo, V на положение критической точки Ас₁?

5. Как влияют Cr, Ni, Si на содержание углерода в эвтектоиде?

6. Как влияют Cr, Mo, W на предельную растворимость углерода в аустените?

7. Какое в сумме количество легирующих элементов должна иметь сталь, чтобы ее можно было отнести к низколегированной?

8. К какой группе сталей по степени легирования можно отнести сталь 4Х5МФС?

9. Чем в основном определяется качество конструкционных и инструментальных сталей?

10. Как в марке конструкционной стали указывается, что сталь качественная?

11. Укажите, к какой группе по качеству относится сталь марки БСт3?

12.К какой группе по качеству относится сталь 12ХГ2СР, и что обозначает буква «Р»?

13. К какому структурному классу в отожженном состоянии относится сталь Х12М?

14. Укажите, к какому структурному классу в нормализованном состоянии относятся стали 40Х, 30ХГС, 60С2?