» » Равновесие газовой и твердой фаз по азоту
13.01.2015

Температурные зависимости констант равновесия реакции азотообмена (XXVII) приведены в табл. 4.
Если выбрать в качестве стандартного состояния азота его равновесную концентрацию в каком-либо разбавленном растворе при парциальном давлении азота в газовой смеси pN2=101,3 кПа, то активность азота aN численно равна [N], где [N] — концентрация азота в сплаве в равновесии с газовой фазой (растворимость азота).
Зависимость растворимости азота от давления описывается законом Сивертса:
Равновесие газовой и твердой фаз по азоту

В работе по данным различных авторов выведены температурные зависимости растворимости азота в чистом железе при рN2 = 101,3 кПа: lg [N] = -1580/T—1,009 (для α-железа); lg [N] = 420/Т—1,932 (для γ-железа). Здесь [N] — концентрация азота в железе, % (по массе). Растворимость азота в γ-железе с ростом температуры уменьшается, в α-железе, наоборот, увеличивается.
Равновесие газовой и твердой фаз по азоту

Влияние легирующих элементов ria термодинамическую активность азота в твердом растворе железа учитывается коэффициентом активности fNл/lg fNл = Кл [Л].
Величина параметра взаимодействия kл зависит от порядкового номера легирующего элемента в системе Д. И. Менделеева. Элементы III—IV групп второго (С) и третьего (Si) периодов, элементы VIII группы (Ni и др.) уменьшают растворимость азота в железе. Элементы IV—VII групп, расположенных в четных рядах длинных периодов, увеличивают растворимость азота.
А.Н. Морозов рекомендует значения параметров взаимодействия kл для ряда элементов в твердом γ-железе при температуре 1200° С:
Равновесие газовой и твердой фаз по азоту

В сплавах Fe—Si (0,9 и 1,25% Si) при 500—600° С параметр взаимодействия kл близок к значению 0,125. Для сплавов с более низким содержанием кремния в области v-железа (1000—1200° С) kл=0,044. Для α-железа с содержанием кремния 2,83% рекомендуется зависимость lg fNSi=-1166/Т+1,242.
На рис. 10 приведена растворимость азота в аустените в зависимости от содержания легирующих элементов: хрома, марганца, кобальта, никеля при температуре 950—1200°C.
На рис. 11 представлена зависимость коэффициента активности от концентрации легирующих элементов при температуре 1200° С.
Равновесие газовой и твердой фаз по азоту

Приведенные данные по растворимости и параметрам взаимодействия относятся к узкой области концентраций и температур. Для получения обобщенных зависимостей, распространяющихся за пределы этой области, необходимо проведение экспериментов для восполнения недостающих данных. При равновесии твердой и газовой фаз по азоту содержание его в твердой фазе равно азотному потенциалу атмосферы. Активность азота в атмосфере aNокр по аналогии с активностью углерода аСокр определяется из выражений констант равновесия реакций (XXVII) и (XXVIII):
Равновесие газовой и твердой фаз по азоту

По данным исследований работы, равновесие железа с газовой фазой по реакции (XXVII) при температуре 1200° С достигается за 2—6 ч. С понижением температуры для установления равновесия требуется большее время, например при 1000° C более 24 ч. Поэтому активность углерода в атмосфере, определенная из выражения константы равновесия реакции (XXVII), должна превышать практические значения.
Использование понятия углеродного (азотного, кислородного) потенциала, активности углерода (азота, кислорода) в сплаве и газовой фазе справедливо в случаях, когда рассматриваемый элемент находится в сплаве в одной фазе. Тогда существует однозначная связь между активностью и концентрацией углерода (азота, кислорода) и составом газовой фазы в состоянии их равновесия. Если элемент в сплаве содержится в двух фазах, например углерод в аустените и карбиде или аустените и феррите, то активности углерода в каждой из этих фаз равны между собой. В этом случае аС не зависит от общего содержания углерода в сплаве. Последнее же зависит от относительного количества сосуществующих фаз, которое может изменяться.
Фазовое состояние элементов в сплаве определяется по диаграммам состояния. Металлы переходных групп (Fe, Mn, Cr, V, Ti) образуют карбиды, нитриды и карбонитриды, являющиеся избыточными фазами. Термодинамическое условие выпадения из твердых растворов избыточных фаз: [Ме]m[Х]n≥L.