Примеры диффузионных процессов при сварке

Влияние третьего компонента

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.

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.

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.

4. Технологическая прочность металлов
при сварке

Технологическая прочность металлов и сплавов – это способность сохранять сплошность в процессе технологических тепловых и силовых воздействий при изготовлении изделий (сварке, литье, обработке давлением и других процессах).

Технологическая прочность – это «кинетический» параметр, непрерывно изменяющийся с течением времени в зависимости от температуры, агрегатного состояния, фазового состава структуры, скоростных характеристик технологических нагрузок и других факторов. Для суждения о технологической прочности необходимо в процессе всего технологического цикла сопоставлять прочностные и пластические свойства материала с параметрами напряженно-деформированного состояния, создаваемого технологическими нагрузками.

Условием обеспечения технологической прочности является следующее: в каждый текущий момент технологического цикла значения параметров деформационной способности или сопротивления материала разрушению должны превышать значения соответствующих параметров напряженно-дефо­рми­ро­ва­н­ного состояния. Нарушение этого условия приводит к разрушению материала, например при сварке - к образованию горячих, холодных трещин.

Дата добавления: 2014-01-04