Фазовые диаграммы для специфических систем легирования

В настоящее время существует множество компьютерных программ, с помощью которых можно строить любые фазовые диаграммы для специфических систем легирования, основанные на термодинамических данных. Эти программы с учетом взаимодействия между многочисленными элементами и строят фазовые диаграммы равновесия в диапазоне температур от точки плавления до комнатной температуры. Как уже отмечалось, один из наиболее широко применяемых пакетов — ThermoCalc. Это программное обеспечение очень удобно для прогнозирования превращений микроструктуры в сварных швах и ЗТВ нержавеющих сталей. Следует признать, что такие диаграммы описывают равновесные состояния, которые обычно не достигаются при сварке из-за быстрого нагрева и охлаждения.

На рис. 2.6 представлена фазовая диаграмма, построенная с использованием программы ThermoCalc для стали с химическим составом, %: хром — 12,0; марганец — 0,5; кремний — 0,5; углерод — 0,1, что соответствует мартенситной нержавеющей стали марки 410. Содержание никеля в данном случае меняется от 0 до 5 %. Такая диаграмма может быть полезна для того, чтобы определить, как количество никеля в стали влияет на фазовый состав, особенно, как добавки никеля могут влиять на количество феррита, который формируется в металле шва или ЗТВ. Например, для сплава А, содержащего 0,3 % никеля, и сплава В — 2,0 % (см. рис. 2.6), одиночная ферритная а-область в интервале температуры близко к 1400 °C (2550 °F) для сплава В исчезает, а интервал температуры, при котором существует двухфазная область а+у, последовательно сужается с увеличением содержания никеля. Эти данные также могут быть использованы для построения графика мольной доли присутствующих фаз в зависимости от температуры (рис, 2.7). Применяя такие подходы, легко определить состав основного и присадочного металлов по стабильности фаз и превращениям микроструктуры при сварке и термической обработке.

На рис. 2.8 приведен другой пример. Эта фазовая диаграмма рассчитана для дуплексной нержавеющей стали марки 2205, содержащей азот в различных концентрациях. Типичное содержание азота для этой стали — 0,15 %, что обозначено на рисунке вертикальной пунктирной линией. На этой диаграмме видно, что при повышенных температурах такая сталь никогда не будет полностью ферритной. Скорее всего, в микроструктуре всегда будет иметься какое-то количество аустенита, что может эффективно повлиять на снижение роста ферритного зерна в ЗТВ. Также показаны области, в которых карбид M23C6, нитрид Cr2N и сигма-фаза термодинамически устойчивы.

Как и по рис. 2.7, объемная доля фаз также может быть подсчитана в зависимости от температуры при данном содержании азота (0,15%), что показано на рис. 2.9. В отличие от рис. 2.7, на рис. 2.9 дана объемная, а не мольная доля фаз. Так как доли объема карбида и нитрида очень малы, их фазы не показаны. Такой тип диаграммы очень полезен для определения количества конкретной фазы, существующей при заданной температуре. Например, при температуре приблизительно 1375 °C (2510 °F) микроструктура состоит примерно из 95 % феррита и 5 % аустенита.

Следует отметить, что на рис. 2.9 показано, что сигма-фаза является равновесной фазой при температуре ниже 900 °С (1650 °F). Сигма-фаза очень медленно образуется в железохромистых сплавах, однако она быстрее формируется в железохромникелевых нержавеющих сталях, содержащих феррит при температуре приблизительно 700 °C (1290 °F), особенно в сталях с повышенным содержанием хрома и молибдена. Это характерно для дуплексных нержавеющих сталей при высоком содержании в них феррита, что делает эти стали склонными к охрупчиванию вследствие образования а-фазы. Предотвращение образования а-фазы из феррита требует быстрого охлаждения с температуры 900 до 500 °C (с 1650 до 930 °F). Эта особенность нержавеющих дуплексных сталей также предполагает серьезные ограничения на их обработку при повышенных температурах, включая послесварочную термическую обработку.