Диффузия и самодиффузия в железе и стали

Перераспределение легирующих элементов между твердым раствором и карбидной фазой

При длительном воздействии высоких температур наблюдаются такие диффузионные процессы, которые приводят к перераспределению легирующих элементов между твердым раствором и карбидной фазой. Установлено, что в низколегированных молибденсодержащих сталях марок 15М, 20М, 15ХМ, 12МХ в результате длительного воздействия температур, достигающих 500°С и более, твердый раствор обедняется молибденом, а карбидная фаза соответственно обогащается им. В перераспределении могут участвовать также и другие элементы, как, например, марганец и хром.

Отпуск в течение четырех часов при 600°С не приводит к образованию специального карбида, в то время, как четырехчасовой отпуск при 700°С вызывает образование наряду с цементитом заметного количества специального карбида.

В сталях, содержащих сильные карбидообразующие элементы (ванадий, ниобий), состав твердого раствора и карбидной фазы мало меняется с течением времени, т. е. диффузионные процессы перераспределения легирующих элементов, упрочняющих твердый раствор, сильно замедлены. Особенно замедлена диффузия молибдена в сталях, дополнительно легированных одновременно двумя карбидообразующими элементами – ванадием и ниобием.

Все рассмотренные в предыдущих разделах виды нестабильности структуры сталей под влиянием длительного воздействия повышенной температуры и напряжения связаны с диффузией углерода и легирующих элементов и в какой-то мере с самодиффузией атомов железа, являющегося основой жаропрочных котельных сталей.

Наряду с тепловым колебательным движением атомов около положений равновесия, которое тем больше, чем выше температура, в металлах и сплавах имеет место перемещение атомов в кристаллической решетке, вызывающее процессы диффузии и самодиффузии. Как колебательное движение атомов, так и диффузионное перемещение атомов, активизирующееся с температурой, приводит к изменению свойств металлов и сплавов.

Диффузионное перемещение атомов в кристаллической решетке возможно благодаря существованию несовершенств кристаллической решетки, наличию вакансий, дислокаций и других искажений в ней, которые имеют место в тонких структурах всех реальных металлов и сплавов.

Термин «самодиффузия» чисто условный. Под ним обычно понимается диффузия атомов растворителя. Принципиально это такой же процесс диффузии, как и в случае растворенных атомов.

Параметры процессов диффузии и самодиффузии тех или иных элементов зависят не только от температуры, но и от состава и структуры стали. Состав и структура стали сказываются на значениях констант уравнения диффузии, а следовательно, и на значении коэффициента диффузии, т. е. скорости протекания процесса диффузии при данной температуре.

Диффузия легирующих элементов в твердых растворах замещения протекает значительно труднее, более медленно, чем диффузия элементов внедрения. В твердых растворах внедрения все атомы диффундирующего элемента находятся в междоузлиях и дислоцированы при любой температуре, поэтому работа на их уход из междоузлия не затрачивается. В твердых растворах замещения атомы сидят в узлах решетки и хотя в большей или меньшей степени искажают ее все же требуют для своего отрыва затраты работы. В связи с этим при диффузии элементов внедрения в твердом растворе, теплота диффузии будет меньше, чем для случая диффузии элементов замещения.

Таким образом, при диффузии легирующих элементов, образующих твердые растворы замещения, коэффициент диффузии их будет меньше, а теплота активации диффузии, теплота разрыхления больше, чем соответствующие параметры диффузии для элементов, образующих твердые растворы внедрения.

Это положение подтверждает приведенные экспериментальные данные о том, что жаропрочные котельные стали с более низким содержанием углерода более структурно устойчивы в процессе длительной работы.

В сталях диффузионные процессы по границам зерен идут быстрее, чем по телу зерен. Границы зерен более разрыхлены благодаря значительному искажению решетки в этих местах, и для процесса диффузии или самодиффузии по границам зерен требуется затратить меньше тепловой энергии, чем для диффузии в объеме зерен.

Скорость диффузии углерода в стали в присутствии в ней таких элементов, как хром, молибден, ванадий – замедляется.