3.5. Ликвационная неоднородность в металле шва

Ликвацией называется возникающее при неравновесной кристаллизации неравномерное распределение элементов, химических соединений и других составляющих в металле. Она контролируется диффузией в жидкой фазе. К числу сильно ликвирующих элементов относятся кислород, углерод, сера и фосфор.

В металле шва наблюдаются преимущественно два вида ликвации – дендритная и зональная. В свою очередь дендритная ликвация может быть двух видов: внутри- и межкристаллитная. Природа внутрикристаллитной ликвации связана с наличием у сплава температурного интервала кристаллизации и с различной для центральной и периферийной частей кристалла степенью обогащения ликвирующей примесью. В первую очередь кристаллизуется металл вдоль осей будущих кристаллов, он содержит минимальное количество примесей и близок по составу к исходному. При снижении температуры оси будущих кристаллов обрастают кристаллизующимся металлом, и эти участки постепенно обогащаются примесями, которые особенно сильно насыщают последние порции кристаллизующегося металла.

Межкристаллитная ликвация является результатом оттеснения к границам растущих кристаллов различных легкоплавких эвтектик и примесей, создающих межкристаллитные прослойки. Особую опасность представляют располагающиеся здесь легкоплавкие эвтектики типа сернистых и силикатных, вызывающие горячие микротрещины.

Зональная ликвация вызывается неодновременной кристаллизацией периферийной и центральной частей шва. По мере роста кристаллитов остающаяся жидкость оттесняется в центральную область шва и оказывается наиболее загрязненной различными вредными примесями. Этот участок шва называют зоной «слабины». Она выявляется при ударной нагрузке. Весьма заметна зональная ликвация в однослойных швах большого сечения.

Ликвация в сварных швах (особенно зональная и межкристаллитная дендритная) снижает механические свойства металла, так как ослабляет связь между кристаллитами, и служит одной из причин появления кристаллизационных трещин.

Для уменьшения химической неоднородности и повышения стойкости металла к образованию кристаллизационных трещин следует оптимизировать соотношение между глубиной H и шириной В сварочной ванны. Коэффициент формы ванны ψ=B/H зависит от многих факторов – способа и режима сварки, состава металла, сварочных материалов и т.д. Узкая глубокая сварочная ванна (ψ < 2) создает неблагоприятную схему кристаллизации металла, когда кристаллы, растущие по нормали к поверхности охлаждения, срастаются передними гранями в центральной части шва.

3.6. Диффузия и ее виды

Диффузией называется процесс переноса вещества из одной части системы в другую в результате беспорядочного движения частиц. Различают следующие виды диффузии:

самодиффузия – диффузия частиц одного вещества, протекающая при отсутствии градиента каких-либо движущих сил;

концентрационная диффузия – перемещение вещества под воздействием градиента концентрации. Эта диффузия называется нисходящей, поскольку вещество перемещается из участков, в которых его концентрация больше, в участки, где его концентрация меньше;

термодиффузия – перенос вещества под воздействием градиента температур. Термодиффузия обусловлена возникновением градиента химического потенциала диффундирующего вещества в температурном поле. Вещество перемещается из частей системы, в которых его химический потенциал больше, в части, в которых его химический потенциал меньше. При этом концентрация вещества изменяется в обратном направлении и диффузия называется восходящей;

реактивная диффузия – перемещение вещества в участки системы, где оно образует с другим компонентом раствора химическое соединение, т.е. диффундирующее вещество выводится из исходной фазы в обособленную (например, диффузия углерода в участки образования карбидов, диффузия легирующих элементов – в участки, где образовались интерметаллиды). К реактивной диффузии относится также перераспределение углерода между аустенитным швом и ферритно-перлитным основным металлом: углерод диффундирует в аустенит, в котором его растворимость выше.

Концентрационная диффузия является наиболее простым случаем и наиболее изучена.

Процессы концентрационной диффузии описываются уравнением законов Фика:

, (11)

где – количество продиффундировавшего вещества; dS – площадь сечения диффузионного потока, dτ – время – градиент концентрации, отрицательный потому, что диффузия идет от большей концентрации к меньшей; D – коэффициент диффузии, .

Закон Фика справедлив для малых концентраций диффундирующего вещества, далеких от концентрации насыщения.

Процесс диффузии аналогичен распределению тепла посредством теплопроводности. Количество вещества соответствует количеству тепла, а концентрация – температуре. Поэтому второй закон диффузии может быть выведен аналогично уравнению теплопроводности:

. (12)

Уравнение (12) выражает второй закон Фика в самом общем виде в предположении, что коэффициент диффузии зависит от концентрации элемента и различен в различных направлениях. Если считать коэффициент диффузии не зависящим от концентрации, а тело – изотропным, т.е. полагать, что , то выражение (12) упростится:

(13)

или

, (14)

где .

В простейшем случае линейной диффузии по оси х, когда концентрация по оси y и z постоянна, и . Для этого случая получим

. (15)

Интегрирование уравнения (15) дает зависимость концентрации диффундирующего вещества от координаты х и времени τ:

, (16)

где – функция Крампа от аргумента ; её можно найти по таблице для заданных значений х; D; τ.

Расчет развития диффузионных процессов на основании второго закона Фика сохраняется для жидких и твердых сред, но коэффициенты диффузии будут значительно меньше, чем для газообразных систем.

Для газообразных систем коэффициенты диффузии вычисляются на основании кинетической теории газов:

, (17)

где λ – длина свободного пробега; – средняя скорость движения газовых молекул.

Коэффициенты диффузии в жидкостях могут быть рассчитаны по уравнению Стокса:

, (18)

где k – постоянная Больцмана; Т – температура; η – коэффициент вязкости среды; r – радиус частицы.

Коэффициент диффузии в жидкостях на несколько порядков меньше, чем в газах. Для твердых кристаллических тел коэффициенты диффузии еще меньше.

Коэффициент диффузии значительно меняется в зависимости от температуры процесса, концентрации диффундирующего вещества, свойств среды, наличия в сплаве третьего компонента.

Влияние температуры

Температурная зависимость коэффициента диффузии выражается уравнением:

, (19)

или после логарифмирования

, (20)

где R – газовая постоянная; Т – температура, К; е – основание натурального логарифма; А – коэффициент, зависящий от кристаллической решетки, .

, (21)

где а – межатомное расстояние; N_А – число Авогадро; h – постоянная Планка; Q – теплота активации диффузии или теплота разрыхления кристаллической решетки, отнесенная к одному молю металла растворителя, ; при самодиффузии она составляет 65–80 % теплоты испарения.

Чем больше Q, тем устойчивее структура, меньше D и, следовательно, меньше скорость диффузии.

Влияние концентрации диффундирующего вещества

Зависимость коэффициента диффузии от концентрации диффундирующего элемента может быть выражена следующим уравнением:

, (22)

где С_Т – предельная концентрация, соответствующая насыщению твердого раствора; С_X – концентрация диффундирующего элемента; D₀ – предельное значение коэффициента диффузии при уменьшении концентрации растворенного компонента до нуля.

Уравнение (22) показывает, что с увеличением С_x возрастает D, и, следовательно, на различных расстояниях от поверхности раздела значения этого коэффициента будут различными.

Влияние природы взаимодействия веществ

Значение коэффициента диффузии D тем выше, чем больше природа диффундирующего элемента отличается от природы растворителя. Работа разрыхления Q для пар элементов, расположенных далеко друг от друга в таблице Менделеева, снижается.

Активность диффузии зависит от того, какой тип раствора (внедрение или замещение) образуют данные элементы. Если атомы диффундирующего вещества располагаются между узлами основной решетки, затраты энергии значительно меньше, так как процесс происходит без вырывания атомов из узлов и их замещения. Диффузия в этом случае протекает быстрее.

Растворы внедрения в железе могут образовывать элементы с атомами малых размеров: Н; N; B; C.

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 твердого компонента, занимающего вакантные места, может затруднить диффузию (Mn, Cr, V, Mo); с другой – наличие инородных атомов в кристаллической решетке искажает ее и тем самым облегчает диффузию. К числу этих элементов относятся, например, Ni, Co.

Значительно ускоряется диффузия по границам зерен металла, где структура сильно искажена. Атомные слои, расположенные у поверхности металла, также имеют искаженную кристаллическую решетку и повышенный запас энергии, вследствие чего диффузия с поверхности всегда протекает быстрее, чем во внутренних объемах.

Примеры диффузионных процессов при сварке

Одним из важнейших результатов диффузионных процессов при сварке является рост зерна металла в шве и в зоне термического влияния при длительном нагреве выше температуры Ас₃. Процесс этот объясняется самодиффузией атомов металла и происходит следующим образом.

Мелкие кристаллы обладают большей величиной поверхностной энергии на единицу массы металла, чем крупные. Вследствие этого согласно законам термодинамики всегда есть тенденция к росту кристаллов, так как при этом свободная энергия системы уменьшается. Однако при низких температурах указанная тенденция не может проявляться заметным образом, поскольку количество блуждающих дислоцированных атомов очень мало. С повышением температуры количество таких 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.

В практике изготовления сварных конструкций широко применяют отпуск для снятия собственных напряжений. Эта технологическая операция также основана на процессах самодиффузии. Известно, что собственные 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. Нагрев конструкции до температуры 500…550 °С при высоком отпуске активизирует процессы диффузии и позволяет снимать напряжения за несколько часов.

В некоторых случаях диффузионные процессы при сварке приводят к нежелательным последствиям. Так, при сварке двухслойной стали (Ст3 + 1Х18Н9Т), несмотря на все меры предосторожности, некоторая часть углерода диффундирует из сравнительно высокоуглеродистого основного металла (Ст3) в низкоуглеродистый нержавеющий слой, и антикоррозионные свойства нержавеющего слоя снижаются.

В металлах всегда растворено некоторое количество газов, в том числе и водорода. Последний может диффундировать из более холодных объемов в более нагретые, насыщать сварочную ванну и способствовать возникновению пор.

Диффузионные процессы имеют большое значение для выравнивания химического состава сварного шва по объему. В большинстве случаев сварки плавлением химический 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 условиях химическая 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 Сu с Аl, Fе с Сu и т. п.