Исключением из этого общего
правила является бор, механизм диффузии которого в железе более сложен, чем
водорода, азота и углерода. По-видимому, в процессе диффузии бор легче
взаимодействует с вакансиями, чем водород, азот и углерод [29]. Часть
внедренных атомов захватывается вакансиями и образует пары вакансия —
атом, а не обычный раствор внедрения1.
Диффузионная подвижность углерода
и азота в феррите значительно выше, чем в аустените. Как видно из табл. 1,
энергия активации диффузии 0_ примесей внедрения в
а-фазе значительно меньше, чем в у-фазе, а диффузионная подвижность
значительно выше. Это хорошо видно из рис. 8, где показано изменение £>
— = / (/) для диффузии азота в а- и у-железе. Вероятно, это объясняется
менее плотной упаковкой атомов в кристаллической решетке
феррита.
Координационное число и
коэффициент компактности у а-железа (К8 и 0,68) меньше, чем у у-железа
(К12 и 0,74). Параметр решетки а-железа меньше, чем у-жедеза, поэтому в
феррите по сравнению с аустенитом амплитуда колебаний атомов углерода,
необходимая для осуществления элементарного акта диффузии, значительно
меньше [29].
При температуре фазового
превращения а ^1 у коэффициент диффузии
углерода в а-фазе О* на два порядка больше, чем
Диффузионные процессы сильно
ускоряются при температурах, близких к температурам фазовых превращений.
Например, диффузионная подвижность углерода и самодиффузия атомов железа
резко возрастают при циклическом нагреве несколько выше и ниже
эвтектоидной температуры. Это, вероятно, связано с тем, что при
температурах фазового превращения имеет место разрыхление решетки и
накопление дислокаций, облегчающих процессы диффузии. Однако большую
диффузионную подвижность углерода в а-фазе благодаря малой его
растворимости в
феррите трудно использовать при упрочнении изделий
цементацией.
В последние годы в практике
машиностроения широкое применение получили низкотемпературные
процессы насыщения стали азотом, совместно азотом и углеродом, а также
азотом, углеродом и серой. .
Во всех этих случаях процессы
проводят при температурах существования а-фазы.
Зависимость эффективного
коэффициента диффузии (в см2/с) углерода в аустените от
температуры и концентрации углерода определяется по М. Е. Блантеру
уравнением
(19)
и по данным Уэллса и Мела
уравнением
(20)
Величины ^ и С, с увеличением содержания углерода уменьшаются
[60].
Результаты измерения
коэффициента диффузии Ос, см2/с, углерода в
аустените при различных концентрациях показаны на рис.
7.
Диффузионная подвижность углерода
и азота сильно зависит от состава феррита и аустенита. Легирование стали
позволит увеличить или уменьшить коэффициент диффузии.
Карбндообразующие элементы (51,
\У, Сг и др.) увеличивают энергию активации 0_ (рис. 9, а) и
предэкспоненциальный множитель Ц, и уменьшают эффективный коэффициент
диффузии О (рис.
9, б). Энергия активации возрастает тем сильнее, чем больше сила
связи элемента и углерода и чем меньше легирующие элементы искажают
решетку аустенита [60].
Легирование стали
некарбидообразующими элементами № и Со увеличивает эффективный коэффициент
диффузии углерода в аустените и уменьшает энергию