Взаимодействие металла сварочной ванны с азотом. Азотное старение.

Система азот - металлы

При взаимодействии азота с металлами образуются нитриды. Реакция взаимодействия носит эндотермический характер.

В общем виде реакция взаимодействия азота с каким-то металлом (Me) запишется следующим образом:

.

Термодинамическая прочность нитридов определяется упругостью диссоциации, под которой разумеется равновесное парциальное давление азота для данной температуры.

— упругость диссоциации нитрида .

По величине упругости диссоциации, рассчитанной для комнатной температуры, нитриды можно расположить в следующий ряд:

F e₂N, Fe₄N, Mo₂N, Mn₅N₂, CrN, Ca₃N₂, VN, Si₃N_i; A1N, Mg₃N₂, CeN, Be₃N₂, ZrN, TiN.

В направлении стрелки сродство элементов к азоту увеличивается.

Упругость диссоциации нитрида железа Fe₄N:

= 992 тор при температуре 20° С.

Следовательно, нитрид железа является самым непрочным из рассматриваемых нитридов.

Некоторые металлы способны растворять свои нитриды; к ним относятся: железо, молибден, хром, цирконий, титан.

Алюминий и магний не растворяют свои нитриды.

Наибольший интерес представляет система железо-азот

Нитриды железа Fe₂N и Fe₄N термодинамически не устойчивы. Но эти нитриды растворяются в железе и их термодинамическая прочность в растворе увеличивается. Вследствие эндотермического характера растворов растворимость азота в железе увеличивается по мере повышения температуры.

Подобно водороду растворимость азота в разных модификациях железа различная. При температурах фазовых превращений имеет место скачкообразное изменение растворимости азота.

Система железо-азот может находиться в состоянии истинного и метастабильного равновесий.

Истинное равновесие устанавливается по уравнению:

где — азот, растворенный в железе.

Константа равновесия равна:

Раствор азота в железе является сильно разбавленным и может быть принят за идеальный. Поэтому активность азота можно заменить растворимостью:

.

Тогда или = ; или

= ; (28)

(для Н₂: ; )

Получили уравнение Сивертса для растворимости азота в железе.

Метастабильное равновесие в системе железо-азот характеризуется уравнением:

Активность железа близка к единице; без большой погрешности можно принять =1.

Активность нитрида можно заменить растворимостью азота, так как нитрид при растворения диссоциирует на азот и железо.

Тогда = , или

(28а)

Уравнение (28а) есть уравнение Сивертса.

При охлаждении растворов азота в железе растворимость азота уменьшается, особенно при температурах фазовых превращений.

При кристаллизации нитрид выделяется из раствора и диссоциирует на азот и железо.

2Fe₄N = 8Fe + N₂.

Азот в виде пузырьков стремится удалиться, но растущие кристаллы препятствуют удалению пузырьков азота. Поэтому часть пузырьков азота остается в закристаллизовавшемся металле, образуя газовую пористость. При последующем охлаждении происходит распад твердого раствора с выделением нитридных фаз, располагающихся в виде тонких пластин или дисков. В момент перехода

резко уменьшается растворимость азота, что приводит к охрупчиванию железа.

Механизм этого процесса связан с сегрегацией атомов азота около дефектов кристаллической структуры металла. Сегрегация азота на дислокациях облегчает выпадение нитридов из раствора. Сегрегация азота может быть и в местах скопления вакансий.

Марганец, кремний, хром м др. элементы, образующие с железом твердые растворы замещения, замедляют распад пересыщенных твердых растворов азота в железе.

В железо-углеродистых сплавах, содержащих азот, может иметь место синеломкость. Этот дефект вызывает снижение пластичности, повышение пределов текучести и прочности малоуглеродистой стали при растяжении с обычной скоростью в интервале 150—300° С. Синеломкость связана с сегрегаций атомов азота вокруг движущихся дислокаций в процессе деформации стали. В присутствии марганца синеломкость развивается меньше из-за образования группировок из атомов марганца и азота.

Чтобы избежать вредного действия азота следует воспрепятствовать образованию нитрида Fe₄N путем введения в железо элементов, образующих с азотом нерастворимые нитриды. Такую роль могут выполнить: титан, цирконий, алюминий, ванадий, бор, ниобий, тантал ванадий, бор, ниобий, тантал.

[Fe₄N] + [Ti] = TiN + 4[Fe].

Нитрид титана не растворим в железе и будет присутствовать в структуре металла в виде самостоятельной, термодинамически прочной фазы.

Понижает растворимость азота b железе углерод. В железоуглеродистых расплавах, отвечающих по составу цементиту (6,7% С), азот практически не растворяется. Однако присутствие нитридов, например, нитридов алюминия, располагающихся по границам зерен в литой стали, приводит к охрупчиванию. Частицы нитрида A1N дают начало для зарождения трещин. При деформации сетка нитридов алюминия разрушается и практически устраняется возможность охрупчивания. Однако, пластичность стали в присутствии нитридов алюминия понижается.

7 Практическое занятие 7: