CC BY
83
УДК 541.123+669.245
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО - ХРОМ - НИКЕЛЬ - АЗОТ
Б.И. Леонович, Ю.С. Кузнецов, Е.А. Трофимов THERMODYNAMIC ANALYSIS
OF THE IRON - CHROMIUM - NICKEL - NITROGEN SYSTEM
B.l. Leonovich, Yu.S. Kuznetsov, E.A. Trofimov
С использованием подрешеточной модели проведен термодинамический анализ четырехкомпонентной системы железо - хром - никель - азот. Результаты расчета представлены в виде изотермических сечений и фазовых диаграмм. Рассчитаны и построены политермические разрезы с постоянным значением концентрации хрома и никеля в сплавах.
Ключевые слова: подрешеточная модель, фазовая диаграмма, система железо -хром - никель - азот.
The thermodynamic analysis of the iron - chromium - nickel - nitrogen system was carried out with the use of sublattice model. Results of calculation of phase equilibria are presented as isothermal sections and phase diagrams. Polythermal sections at constant chromium and nickel concentration in the alloy are calculated and plotted.
Keywords: sublattice model, phase diagrams, iron - chromium - nickel - nitrogen system.
Система железо - хром - никель является основой многих сталей и сплавов [1]. Некоторые из них в процессе изготовления подвергаются азотированию. Поэтому аналитический расчет пределов устойчивости фаз, образующихся в процессе азотирования металлических сплавов при различных температурах, представляет значительный практический интерес.
Для осуществления анализа фазового равновесия четырехкомпонентной системы необходимо иметь информацию о термодинамических харак-
теристиках более простых трехкомпонентных систем. Значения термодинамических параметров, методика и результаты расчета изотермических сечений диаграмм состояния и их политермических разрезов при заданном содержании одного из компонентов для систем Ре-Сг-Ы, М-Сг-М Ре-М-Ы и Ре-Сг-М представлены в работах [2-8].
На рис. 1 приведены рассчитанные ранее [8-10] изотермические разрезы систем Ре-Сг-Ы (а) и М-Сг-Ы (б) при общем содержании хрома 13 мас. %. В этих системах в зависимости от условий могут об-
Ж,
1400
1200
1000
800
/ / Жі+CrN /Ж] t Ж2'
Ж^Жг+CrN є+Жі+CrN
"N, у+Жі+CrN
\
'1
y+CrN y+CrN+є
2 4 6
Содержание азота, % (мае.) б)
Рис. 1. Диаграммы фазового равновесия для систем Ре-Сг-Ч (а) и Чі-Сг-Ч (б) при общем содержании хрома 13 мас. %
Леонович Б.И., Кузнецов Ю.С., Трофимов Е.А.
Термодинамическое моделирование системы железо - хром - никель - азот
разовываться следующие твёрдые фазы: феррит (а), аустенит (у), е - фаза на основе Ме2N и нитрид хрома. Представленные графические зависимости демонстрируют последовательность образования этих фаз при повышении содержания азота при различных температурах.
В процессе анализа четырехкомпонентной системы Ре-Сг-№^ при выражении энергии Гиббса образующихся твердых фаз использована подрешеточная модель, согласно которой металлические элементы образуют одну структурную упаковку (первая подрешетка), а пустоты этой подрешетки и элемент внедрения - вторую подре-шетку. Такие фазы можно представить общей формулой (Сг, Бе, №)а (^К)с, где значения а и с определяются числом мест (в молях) в подрешет-ках. При этом концентрации элементов (включая вакансии V) в каждой подрешетке у можно связать с обычной молярной долей железа, никеля, хрома (хг) и азота (хм) и эта связь выражается следующим образом:
Уг = тх—, УБе + Ум+Усг =1;
1 - % а
Л =_'
с 1 -
УN + Ук =1.
Образование такого раствора можно представить смешением гипотетических бинарных соединений MeN и MeV, тогда молярная энергия Гиббса такой «пятикомпонентной» фазы может быть задана уравнением
0т = УСг Ж0Сг:К + Ле у№е:К + yNi у№мШ +
+УСг УК6Сг:К + ^е УК6^е:К + yNi yVGlNi:V +
+ЯТ [а (усг 1пУСг+Уре 1пУFe+УNi !пУNi ) +
+ЯТ [с (у 1п УN + Ук 1п Ук ) + от36 + от1. (1) Здесь
0ттб = УСгУБе (.У(сгМ + УК^Сг,Бе:V ) +
+yCгyNi (уКАСг,№:К + укАс-,М:К) +
+yFeyNi (.Ж^ММ + УК^Те,М:К ) +
+yNУК (УСгАс-^еМ + УеАСг,М:М + yNi) +
+УСг ^е yNi yVLFe,Cг,Ni:V + УСг yFe ЛЖ-Ае,»^, V +
+УСг yNi yN У Ас^ММ, V + yFe yNi ЛД-У^Ге^Ш, V, (2)
где А - энергии взаимодействия соседних частиц, находящих в разных подрешетках. В подстрочном индексе двоеточие разделяет подрешетки, а запятая - компоненты подрешетки.
Магнитная составляющая энергии Гиббса металлических сплавов рассчитывается по формуле
отш = яш у+1) (т), (3)
где т = Т/Тс (Тс - температура Кюри) и в (магнетон Бора) являются параметрами модели и зависят от концентрации компонентов сплава:
ТсОЦК = -310усг + 1043yFe + 575ум +
+УСгУFe [1650 + 550(УСг - УFe ) +
+Усг Ум [2373 + 617 ( - У№ ); (4)
вОЦК = -0,008Усг + 2,22yFe + 0,85ум -- 0,85 Усг УFe + 4,0Усг УNi. (5)
Для т <1:
(„.3 _9 „.15 Л
т т т
, ~6 135 600
V У
(6)
Рис. 2. Изотермическое сечение системы Ре-Ог(13 мас. %)-М1-Ч для температуры 850 °С
Рис. 3. Диаграмма фазового равновесия системы Ре-Ог(13 мас. %НЧМЧ для содержаний никеля 20 % (сплошная линия) и 40 % (штриховая линия)
Серия «Металлургия», выпуск 18
51
Для т >1:
f (т) = -
т
То
„■-15 _-25 А
т т "31? Î5ÔÔ
(7)
I рОЦК = 0,4.
И 518 11692
где А = 518 +--------.
1125 15975 V р
С использованием приведенных соотношений была разработана модель, позволяющая оценить влияние никеля на характер фазовых равновесий, реализующихся в исследуемой системе.
Как показывает диаграмма (рис. 2), даже небольшие добавки никеля (менее 1 % по массе) приводят к дестабилизации феррита и повышению устойчивости аустенитной фазы.
Относительно низкие содержания в системе азота приводят к образованию фазы с гексагональной плотной упаковкой - твердого раствора (е) на основе (Сг^е)2М
Рост содержания никеля в системе, согласно проведённым расчётам, дестабилизирует эту фазу (рис. 3).
При высоких содержаниях азота в системе е-фаза формируется на основе полунитрида ^е,№)2М Твёрдый раствор этого типа при всех возможных концентрациях никеля и в исследованном интервале температур характеризуется неограниченной растворимостью компонентов.
Выводы
Опираясь на ранее проведённые исследования по моделированию трёхкомпонентных систем, под-решеточную модель и литературные термодинамические данные, разработана термодинамическая модель системы Fe-Cr-Ni-N. Проведен термодинамический анализ и изучены фазовые равновесия в этой системе. Исследовано влияние никеля на изменение фазовых равновесий в сравнении с таковыми для тройной системы Fe-Cr-N. Результаты проведённых расчетов представлены в виде сечений диаграммы состояния изученной системы.
Литература
1. Леонович, Б.И. Термодинамический анализ системы железо-хром-никель / Б.И. Леонович, Б.В. Ощепков, Е.А. Трофимов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2011. - Вып. 16. - № 14. -С. 4-7.
2. Frisk, K. A Thermodynamic Evaluation of the Cr-Fe-N System / К. Frisk // Metallurgical Transactions A. - 1990. - Vol. 21A, № 9. - Р. 2477-2488.
3. Hertzman, S. A Thermodynamic Analysis of the Cr-Fe-N System / S. Hertzman, M. Jarl // Metallurgical Transactions A. - 1987. - Vol. 18A, № 10. -P. 1745-1752.
4. Frisk, K. A Thermodynamic Evaluation of the Cr-Fe-Ni-N System / К. Frisk // Z. Metallkunde. -1991. - Bd. 82, H. 2. - S. 109-117.
5. Raghavan, V. The Cr-Fe-N-Ni System (Chromium-Iron-Nitrogen-Nickel) / V. Raghavan // J. of Phase Equilibria. - 1997. - Vol. 18, № 2. -P. 158-172.
6. Frisk, K. A Thermodynamic Evaluation of the Fe-Ni-N System / К. Frisk // Z. Metallkunde. - 1991. -Bd. 82, H. 1. - S. 59-66.
7. Hillert, M. A Reassessment of the Cr-Fe-Ni System /М. Hillert, С. Qiu. - 1990. - Vol. 21A, № 6. -P. 1673-1680.
8. Tschiptschin, A.P. Predicting Microstructure Development During High Temperature Nitriding of Martensitic Stainless Steels Using Thermodynamic Modeling / A.P. Tschiptschin // Materials Research. -2002. - Vol. 5, № 3. - Р. 257-262.
9. Леонович, Б.И. Термодинамический анализ системы хром - никель - азот / Б.И. Леонович, К.С. Гусинская // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2010. - Вып. 14. - № 13. - С. 14-18.
10. Леонович, Б.И. Термодинамический анализ системы железо - хром - азот / Б.И. Леонович, Б.В. Ощепков // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2009. - Вып. 12. - № 14. - С. 21-26.
Работа осуществлена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 11-08-12046-офи-м-2011.
Поступила в редакцию 20 февраля 2012 г
