Диффузия в металлах и сплавах – это элементарные процессы перемещения атомов кристаллического вещества на расстояние больше параметров кристаллической решетки

Особенности диффузионных процессов при сварке.

Наиболее вероятный механизм диффузии связан с перемещением атомов по незанятым узловым положениям – вакансиям или междоузлиям (рис.15). В сумме такие элементарные перемещения определяют массоперенос. Если массоперенос направлений и приводит к местным изменениям концентрации, то перенос называют гетеродиффузией, а если изменение концентрации отсутствует, процесс называют самодиффузией.

а) б)

Рис. 15.Схема механизма перемещения атомов при диффузии по вакансиям (а) и по междоузлиям (б).

Очень большое значение процессы диффузии имеют при сварке. Например, при сварке плавлением, процессы диффузии влияют на степень химической и механической неоднородности металла шва и сварного соединения. Особенно большое значение процессы гетеродиффузии имеют для формирования сварных соединений разнородных сталей или сплавов, так как обычные закономерности диффузионного процесса осложняются специфическими условиями диффузии – реакционной диффузией и диффузией, вызванной влиянием состава на изменение термодинамической активности растворенного и диффузионной вещества.

Основные закономерности диффузии.

Основной параметр диффузии – скорость переноса массы перемещающегося элемента через единицу площади сечения за единицу времени. Основной причиной перемещения растворенного вещества служит разность его концентраций в соседних объемах и стремление к равномерному распределению.

Первый закон Фика характеризует массоперенос в зависимости от перепада концентрации растворенного вещества.

М= - D* dc/dx;

Где D= коэффициэнт диффузии характеризует количество вещества в граммах или молях, перемещающегося через единицу площади за единицу времени при градиенте концентрации (dc/dx) равном единице; dc –разность концентраций; dx – расстояние, на котором возник градиент концентрации. Знак минус показывает, что диффузия идет в направлении уменьшения dc/dx.

Коэффициэнт диффузии – очень важный показатель данного процесса. При определенной температуре он зависит от природы растворителя и растворенного вещества. Особенно сильно он зависит от температуре:

D= Do e ^–Q/(RT) , где Do – предэкспоненциальный множитель (зависит от типа кристаллической решетки); Q – энергия активации (зависит от энергии связи диффундирующего атома в решетке растворителя); R- газовая постоянная; Т – температура.

По мере протекания процесса диффузии разность концентраций и соответственно градиент концентрации уменьшается. Изменение градиента dc/dx со временем τ описывается вторым законом Фика:

dc/dx = - D d²c / d²x или

c _{x, τ}= c_o* [1 + (Ф x/2 √D* τ)],

Ф (x/2 √D* τ) – функция Крампа, с_о –исходная концентрация.

Зная коэффициент диффузии D и продолжительность процесса τ пор выражению X ≈√ D* τ можно определить размер диффузионной зоны для данного элемента и растворителя.

Для формирования свойств сварных соединений сталей важнейшее значение имеет диффузионное перемещение углерода, водорода, серы, фосфора, железа, хрома, молибдена, алюминия и некоторых других. В процессе диффузии перемещение атомов внедрения и замещения происходит по-разному, характеризуется различными энергетическими параметрами и протекает с разной скоростью.

Небольшие по размеру атомы внедрения значительно отличаются от параметров решетки и размеров атомов растворителя, они слабее удерживаются в своих положениях, чем атомы замещения. Чем больше отличия атомов внедрения от растворителя, тем слабее он удерживается, соответственно меньше его энергия активации и больше скорость диффузии. (таблица 3).

Таблица 3. Энергия активации диффузии различных элементов, дающих растворы внедрения в α –железе.

элемент	Атомный диаметр, нм	Отличие от атомного диаметра железа, нм	Энергия активации, Q ДЖ/моль.
H	0,56
N	1,42	1,14
O	1,54	1,02
B	1,78	0,76

Для элементов, образующих растворы замещения, энергия активации зависит не только от соотношения размеров атомов и решетки, но и от возможности деформации (например сжатия) атома и др. (табл. 4)

Таблица 4. Энергия активации диффузии различных элементов, дающих растворы замещения в γ-железе.

Элемент	S	Al	Mo	Cu	Mn	Ni	Fe
Q, кДж/моль

Энергия активации углерода и легирующих элементов в α-железе и γ-железе различна. Например, в α-железе энергия активации диффузии углерода меньше, а скорость диффузии больше. Для сварных соединений существенно, что на границах зерен диффузионные процессы идут активнее, так как на них большая концентрация дефектов кристаллического строения. Состояние границ зерен для сварного соединения более значимо, чем для основного металла, так как швы обладают более крупными литыми кристаллами и выросшего зерна в околошовной зоне.

Скорость диффузии какого-либо элемента в легированной стали зависит от характера и степени ее легирования, так как диффундирующий атом взаимодействует с решеткой растворителя, а легирующие элементы искажают ее, деформируют, изменяют энергетическое состояние.

Диффузионные процессы при сварке.

Рассмотренные закономерности относились к случаю перемещения растворенных атомов в однородном твердом растворе при наличии градиента их концентрации, т. е в твердом состоянии металлы А и Б неограниченно растворимы друг в друге (диаграмма неограниченной растворимости).

В какой-то начальный момент времени пребывания при определенной температуре диффузия атомов А и Б произойдет на небольшое расстояние, а распределение А в Б будет характеризоваться кривой 1., а Б в А - кривой 2.(см. рис. 16). По мере увеличения времени нахождения металла при данной температуре произойдет увеличение глубины взаимодиффузии, распределение концентраций А в Б и Б в А будет соответствовать кривым 1’ и 2’. Обе кривые симметричны, если скорость диффузии А в Б и Б в А примерно одинаковы. Реально такие скорости могут быть разными и симметричность кривых будет нарушена.

Рис. 16. Распределение концентрации диффундирующего элемента в сварных соединениях металла с неограниченной растворимостью.

Диффузию, сопровождающуюся фазовыми изменениями (в случае ограниченной растворимости, образования химических соединений, эвтектик или эвтектоидов) называют реактивной. Для этой диффузии характерно образование зон неизменной концентрации – зон химических соединений. В сварном соединении эти зоны не обязательно должны располагаться в плоскости контакта свариваемых материалов. Последующий нагрев при термообработке, приводящей к дальнейшему развитию диффузионных процессов, сместит положение этих зон.

Для сварных соединений характерен еще один вид диффузии, когда процесс перемещения в растворе какого-либо элемента происходит не в связи с разностью концентраций в растворе, а в связи с разницей его термодинамической активности: например, диффузия углерода на границе сварки легированной и нелегированной стали или разнолегированных сталей. При исследовании такой диффузии и вызываемой ею неоднородности состава и строения сварного соединения было замечено, что независимо от содержания в свариваемых сталях углерода направление его перемещения определяется степенью легированности сталей. Перемещение углерода при этом может происходить даже из стали с меньшей его концентрацией. Было также замечено, что кремний является элементом, «выталкивающим» углерод, а хром, молибден и ванадий «притягивающими» его.

Оценивая влияние диффузионных процессов на строение и свойства сварных соединений, следует иметь в виду их влияние на процессы рекристаллизации металла. Ускорить процесс рекристаллизации способны не только повышение температуры, но и степень деформации. Сама рекристаллизация в момент ее протекания ускоряет диффузионную подвижность атомов. Кроме этого на закономерности протекания диффузии влияет деформация, которая также ускоряет движение атомов, следовательно, диффузию. Это происходит за счет увеличения плотности дефектов кристаллического строения.

Дата добавления: 2014-01-07