4. Влияние «третьего» компонента.
Наличие в твердом растворе кроме основного и диффундирующего вещества третьего компонента существенно сказывается на скорости процесса. Влияние это может быть различным.
С одной стороны растворение третьего компонента, занимающего вакантные места, может затруднить диффузию;с другой —наличие инородных атомов в кристаллической решетке искажает ее и тем самым облегчает диффузию.
При диффузии углерода в -железелегирующие (третьи) элементы, которые не образуют стойких карбидов,атолько искажают кристаллическую решетку растворителя, уменьшают работу разрыхленияQ иускоряют процесс диффузии. К числу этих элементов относятся, например,Ni и Со.
Если легирующие элементы образуют карбиды более стойкие, чем карбид железа, то наличие их в твердом растворе в качестве третьего компонентаувеличивает работуразрыхления и затрудняет диффузию. Такими элементами являются, например,Мп, Сг, Мо.
Особенности процессов диффузии в условиях сварки плавлением.
Диффузионные явления играют важную роль во многих процессах, протекающих при сварке. К числу таких процессов относится
газонасыщение расплавленного металла капель и сварочной ванны,
обмен между металлом и шлаком, т. е. раскисление, легирование металла и очищение его от вредных примесей.
Диффузия вызывает перераспределение элементов в зоне сварного соединения.
С диффузионными процессами связывают возникновение микронеоднородности сварных швов.
Без учета диффузии нельзя объяснить такие важнейшие процессы, как рост зерен, перераспределение напряжений по объему тела, рекристаллизацию, ползучесть сварных соединений и т. д.
При сварке плавлением взаимодействуют между собой газообразная, жидкая и твердая фазы, вследствие чего протекание диффузионных процессов возможно по следующим схемам:
1) между газовой и жидкой фазами;
2) в жидкой фазе;
3) на границе между несмешивающимися жидкостями;
4) на границе между жидкостью и твердой фазой;
5) в твердой фазе.
Во всех перечисленных случаях условия протекания диффузии, а, следовательно, и активность диффузионных процессов, различны. Рассмотрим каждую из этих схем в отдельности:
1. Составляющие атмосферу дуги газы, адсорбированные поверхностью жидкого металла, диффундируют в него как в каплях, так и в сварочной ванне.
В каплях наиболее благоприятны условия для диффузии газов. Выше отмечалось влияние температуры на процессы диффузии. Так, повышение температуры с 20 до 950 °С увеличивает коэффициент диффузии азота в -железе на 10 порядков. Очевидно, при температуре капель, составляющей для железа 2300 °С, величина этого коэффициента возрастает во много раз.
В рассматриваемом случае имеем дело с поверхностной диффузией, активность которой значительно выше активности аналогичных процессов, протекающих внутри жидкого или твердого тела.
Ускорению диффузии газов в капли электродного металла способствует также интенсивный отвод диффундирующего элемента в глубь металла, обусловленный активным перемешиванием внутренних и наружных объемов капли. Вследствие этого вблизи фазовой границы создаются высокие градиенты концентраций, в свою очередь способствующие активизации диффузии.
Диффузионные процессы между газовой средой и металлом сварочной ванны идут менее активно, чем в каплях, что связано с более низкой температурой металла ванны и меньшей относительной поверхностью реакции.
Таким образом, максимальное газонасыщение металла при сварке плавлением обычно наблюдается в каплях, тогда как в сварочной ванне избыточная часть газов стремится выделиться из металла.
В некоторых случаях имеет значение диффузия газов в твердый металл. Так, при сварке титанаводород и азот окружающей среды могут активно диффундировать вглубь твердого металлана участках, нагретыхдо высокой температуры, и резко снижать качество сварных соединений. Чтобы избежать этого, приходится защищать не только расплавленный металл, но и всю зону нагрева от контакта с окружающей атмосферой.
2.Процессы диффузии элементов в расплавленных металлах изучены пока еще очень мало.Коэффициенты диффузии элементов в жидком металле близки между собой, тогда как по отношению к твердым металлам они отличаются друг от друга на несколько порядков.
3. Примером двух несмешивающихся жидкостей в условиях сварки могут служить расплавленные металл и шлак. На границе между ними постоянно осуществляется диффузионный обмен элементами, т. е. переход элементов из металла в шлак или наоборот. Если такой обмен протекает достаточно длительное время, элемент распределяется между жидкостями по закону Нернста.Следует иметь в виду, чтоконстанта распределения элементав зависимостиот температурыжидкостейпринимает различные значения,поскольку растворимость элемента в этих различных жидкостях при повышении или понижении температуры может изменяться неодинаково.
Диффузия между жидким металлом и шлаком протекает активнее в каплях и несколько менее активно в сварочной ванне, особенно в низкотемпературной ее части. Причиной этого является высокая температура и большая относительная поверхность реакции у капель.
4. Диффузионные процессы на границе между твердым и жидким телом обладают той особенностью, что скорость их определяется интенсивностью диффузии в твердом теле, так как она обычно во много раз меньше скорости диффузии в жидкости.
Скорость диффузии на границе раздела жидкой и твердой фаз зависит от разности концентрации диффундирующего элемента в них, но определяется не только этим фактором.Даже есликонтактируют твердая и жидкая фазыодного химического состава,диффузия вполне возможна, еслирастворимость какого-либо элемента в твердой и жидкой фазах различна.
Предположим, что мы имеем образец, изготовленный из сплава с концентрацией С0 исследуемого элемента. Допустим, что этот элемент обладает большей растворимостью в жидком расплаве, чем в твердом растворе, как обычно и бывает на практике. Расплавим часть исследуемого образца и рассмотрим процессы на границе раздела твердого и жидкого тела.Поскольку исследуемый элемент лучше растворим в жидкой фазе, он начнет переходить из поверхностных слоев твердой фазы в жидкую,причем твердая фаза будет обедняться им, а жидкая обогащаться до тех пор, пока на границе не установятся равновесные соотношения концентраций. В связи с тем, что вблизи линии сплавления твердая фаза обеднена элементом, в глубинных слоях металла возникнет направленный к поверхности раздела диффузионный поток элемента Ф1 (рис. 98).
Одновременно от жидкого слоя, имеющего повышенную концентрацию элемента, в глубь жидкой фазы будет идти противоположный диффузионный поток Ф2.
Приведенные соображения указывают на возможность большой химической неоднородности металла вблизи границы сплавления.Однако последующая диффузия в уже затвердевшем охлаждающемся металле значительно выравнивает концентрацию элемента, что изображено на рис. 98 штриховой линией. Таким образом, в результате описанных процессоввблизи границы раздела твердого и жидкого металла образуются тонкие слои металла, обогащенного и обедненного диффундирующими элементами.
5.В твердом металле диффузия протекает довольно медленно.Тем не менее, при сварке она может существенно влиять на его структуру и свойства. Основные причины диффузии в твердом металле такие:
1) значительноеизменение растворимости элемента в процессе фазовых превращенийосновного металла-растворителя;
2) неравномерный нагреви связанная с температуройразличная растворимость элемента в разных объемах металла;
3) выпадение из твердого раствора химических соединений, приводящее к обеднению его и появлению диффузионных процессов выравнивания;
4) наличие неоднородности концентрации металла к моменту его затвердевания.
Температурное поле, а, следовательно, изоны с различным содержанием диффундирующих компонентов, перемещается при сварке вместе с источником тепла, поэтомурезультат диффузионных процессов заметен только тогда, когда скорость диффузии соизмерима со скоростью сварки.
Расчеты и эксперименты показывают, что в твердом металле диффузионные эффекты могут наблюдаться только для водорода, диффузионная способность которого в 10— 100 раз больше, чем способность других элементов.
Некоторые примеры диффузионных процессов при сварке.
1. Одним из важнейших результатов диффузионных процессов при сварке является рост зерна металла в шве и в зоне термического влияния при длительном нагреве выше температуры Асз.
Процесс этот объясняется самодиффузией атомов металла и происходит следующим образом. Мелкие кристаллы обладают большей величиной поверхностной энергии на единицу массы металла, чем крупные: большим количеством блуждающих, дислоцированных атомов.
При низких температурах указанная тенденция не может проявляться заметным образом, поскольку количество блуждающих, дислоцированных атомов очень мало.
С повышением температуры количество активных атомов растет, причем в мелких кристаллах их будет больше, чем в крупных, так как мелкие зерна обладают большим запасом энергии.При этом создаются диффузионные потоки атомов от меньших кристаллов к более крупным.Разница в размерах кристаллов увеличивается, что в свою очередь ускоряет процесс до тех пор, пока мелкие кристаллы не будут полностью поглощены крупными. Процессы роста зерен ускоряются за счет большей разницы исходных величин отдельных зерен, при повышении температуры нагрева,наличии в металле предварительной холодной деформации, а также вследствие некоторых других причин.
2. В практике изготовления сварных конструкций широко применяют отпуск для снятия собственных напряжений.Эта технологическая операция также основана на процессах самодиффузии. Известно, чтособственные напряжения всегда связаны с искажением кристаллической решетки металла.Устраняется оно при наличии подвижных дислоцированных атомов, занимающих дефектные места в решетке и восстанавливающих идеальную кристаллографическую структуру.Постепенное снятие собственных напряжений (релаксация) происходит и при нормальной температуре,однако идет оно очень медленно и тянется годами.Нагрев конструкции до 500— 550 °С при высоком отпуске активизируетпроцессы диффузии и позволяет снимать напряженияза несколько часов.
3. В некоторых случаях диффузионные процессы при сварке приводят к нежелательным последствиям. Так, при сварке двухслойной стали (Ст.3 + 1Х18Н9Т),несмотря на все меры предосторожности,некоторая часть углерода диффундирует из сравнительно высокоуглеродистого основного металла (Ст.3) в низкоуглеродистый нержавеющий слойиантикоррозионные свойства нержавеющего слоя снижаются(хром образует карбиды).
Подобное явление наблюдается и при наплавке чугуна на сталь или стали на чугун. Небольшой объем чугуна вблизи поверхности сплавления обедняется углеродом, кремнием и другими элементами за счет диффузии их из чугуна в сталь. В то же время некоторый объем стали насыщается этими элементами и образует очень твердую прослойку высокоуглеродистой стали, плохо поддающейся механической обработке.
4. В металлах всегда растворено некоторое количество газов, в том числе и водорода.Последний можетдиффундировать из более холодных объемов в более нагретые, насыщать сварочную ванну и способствовать возникновению пор.
5. Диффузионные процессы имеют большое значение для выравнивания химического состава сварного шва по объему.В большинстве случаев сварки плавлениемхимический состав основного металла существенно отличен от состава электродной или присадочной проволоки.Даже отдельные капли, переходящие в сварочную ванну, могут сильно отличаться друг от друга в этом отношении. В таких условияххимическая однородность металла шва может быть достигнута только в результате совместного влияния перемешивания основного и электродного металлов в сварочной ванне и процессов диффузии элементов.
Диффузия имеет большее значение при сварке разнородных металлов, например Си с Al, Fe с Си и т. п.