Последовательность образования фаз

Последовательность образования фаз при диффузионном изменении состава соответствует последовательности их расположения на диаграмме состояния (α — β — γна рисунок Диаграмма состояния двойной системы А — В). В таком чередовании фазы появляются при повышении концентрации диффундирующего элемента в поверхностном слое изделия с увеличением времени выдержки и в таком же порядке они располагаются в диффузионной зоне по направлению от сердцевины к поверхности (смотрите момент времени τ6 на рисунке Распределение концентрации элемента В).

Если в диффузионной зоне какая-либо из фаз не обнаруживается экспериментально (обычно под световым микроскопом или рентгеновским методом), то это не значит, что она была «пропущена» при формировании зоны.

Толщина ее из-за малой скорости диффузионного роста такова, что при данной продолжительности химико-термической обработки экспериментально эта фаза не выявляется. При большем времени выдержки «пропущенная» фаза обычно обнаруживается.

По толщине каждого растущего слоя фазы имеется градиент концентраций. Без такого градиента диффузионное проникновение элемента в глубь изделия, т. е. формирование диффузионной зоны, было бы невозможно.

В диффузионной зоне составы фаз на границе раздела соседних слоев определяются составами фаз, находящихся в равновесии на диаграмме состояния (смотрите, например, точки а и b или с и d на рисунке Диаграмма состояния двойной системы А — В). Это следует из того, что новая фаза образуется только после достижения предела насыщения исходной фазы.

Двухфазные области в диффузионной зоне при насыщении одного элемента другим отсутствуют, т. е. граничат всегда однофазные слои (смотрите рисунок Распределение концентрации элемента В). Это объясняется тем, что в двухфазной смеси составы каждой из фаз при любом их количественном соотношении неизменны и определяются соответствующими точками на диаграмме состояния (например, а и b на рисунке Диаграмма состояния двойной системы А — В).

В то же время для диффузионного роста слоя необходим градиент концентраций в фазе переменного состава. Поэтому рост двухфазного слоя, по сечению которого состав каждой из фаз постоянен, и вообще диффузионный перенос элемента от поверхности в глубь изделия через такой слой невозможны. 

Двухфазные слои могут расти при химико-термической обработке не чистого металла, а сплава или же при диффузионном насыщении металла сразу двумя элементами. В этих случаях в диффузионной зоне мы имеем дело с тройной системой, в которой составы равновесных фаз в двухфазной области переменны.


Схема изотермического разреза тройной системы

Схема изотермического разреза тройной системы

Схема изотермического разреза тройной системы А — В — С, поясняющая
последовательность образования слоев при диффузии
элемента С в сплав с0 (но А. П. Гуляеву).


Допустим, что в двухкомпонентный сплав состава с0 диффундирует элемент С. При неизменном соотношении компонентов А и В в диффузионной зоне ее состав изменяется по лучу с0С. Элемент С растворяется в фазах α и β и, когда средний состав двухфазного слоя α + β изменяется по линии с0а, состав α-фазы изменяется по линии hk, β-фазы — по линии mn.

Трехфазный слой образоваться не может, так как в соответствии с изотермическим разрезом составы трех фаз αr, βn и δp, находящихся в равновесии, постоянны, и через трехфазный слой невозможна диффузия в глубь изделия.

Поэтому, когда средний состав двухфазного слоя α + β достигает точки а, он изменяется скачком до точки b: в результате замены фазы βn на фазу δp образуется двухфазный слой αk+ δp.

При изменении среднего состава слоя α + δ по линии bd составы α- и δ-фаз изменяются по линиям kq и pr. При дальнейшем поступлении компонента С в диффузионную зону ее средний состав на поверхности скачком изменяется от точки d до точки f в результате замены фазы δr на фазу γs.

Далее средний состав двухфазного слоя изменяется по линии fg, а составы α- и γ-фаз — по линиям qg´ и sg (пунктиром gg´ на рисунке изображена конода, указывающая составы равновесных фаз α и γ). При этом α-фаза переходит в γ-фазу и, наконец, в поверхностном слое остается одна γ-фаза, состав которой изменяется по лучу в сторону компонента С.

Таким образом, после химико-термической обработки у самой поверхности находится слой у, а за ним — двухфазные слои α + γ, α + δ, и α + β.


Распределение средней концентрации элемента С

Распределение средней концентрации элемента С

Распределение средней концентрации элемента С в диффузионной
зоне сплава с0 (смотрите рисунок выше).


Приведенный анализ с использованием изотермического разреза тройной системы справедлив только при условии, что соотношение концентраций компонентов А и В в любой точке диффузионной зоны неизменно, а фазы в двухфазных слоях все время находятся в равновесии.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Азотирование

Азотирование стальных изделий проводят в аммиаке, который при нагревании диссоциирует, поставляя активный атомарный азот: В системе Fe — N при температурах азотирование могут образовываться следующие фазы: α-раствор азота в железе (азотистый феррит), γ-раствор азота в железе (азотистый аустенит), промежуточная γ-фаза переменного состава с г. ц. к. решеткой (ей приписывают формулу Fe4N) и промежуточная ε-фаза с…

Диффузионное насыщение металлами

Металлы растворяются в железе и других металлах по способу замещения и потому медленнее, чем неметаллы, диффундируют в изделие. Как правило, диффузионное насыщение металлами проводят при более высоких температурах, чем насыщение неметаллами. Типичные примеры — алитирование и хромирование. Алитирование (алюминирование) применяют для повышения окалиностойкости сталей и реже чугунов. Алитируют также литые лопатки газотурбинных двигателей из жаропрочных…

Разновидности химико-термической обработки

В промышленности применяют множество способов химико-термической обработки, различающихся диффундирующими элементами, типом и составом внешней среды, химизмом процессов в ней, техникой исполнения и другими признаками. В зависимости от агрегатного состояния внешней среды, в которую помещают обрабатываемое изделие, различают химико-термическую обработку в твердой, жидкой и газовой средах. Атомы диффундирующего элемента поступают из твердого вещества в местах прямого…

Диффузионное насыщение неметаллами

Поверхностное насыщение стали углеродом и азотом или совместно этими элементами — наиболее широко используемые процессы химико-термической обработки. Углерод и азот растворяются в железе по способу внедрения и поэтому могут быстро диффундировать на значительную глубину. Активные среды, содержащие эти элементы, дешевы, а фазы, образующиеся с участием углерода и азота в процессе насыщения или при последующей термообработке,…

Особенности строения диффузионной зоны

Диффузионную зону на шлифе можно выявить травлением благодаря измененному химическому составу поверхностного слоя. В однофазной зоне концентрация плавно изменяется от поверхности в глубь изделия (смотрите рисунок Распределение концентрации в однофазной зоне), и поэтому под микроскопом граница такой зоны размыта или чаще вообще не выявляется. Если диффузия сопровождается фазовыми превращениями, то строение диффузионной зоны резко отличается…