Сварка разнородных сталей

Природа и механизм образования структурной неоднородности, характерной для нестабильной зоны сплавления

В настоящее время принято считать, что структурная неоднород­ность, появляющаяся в нестабильной зоне сплавления разнородных сталей, представляет собой обезуглероженную прослойку со сто­роны менее легированного металла и науглероженную со сто­роны более легированного. Принято считать также, что образова - пне этой неоднородности вызывается перемещением углерода из менее легированного металла в более легированный.

Установившееся представление о природе рассматриваемой неоднородности имеет достаточное экспериментальное подтверж­дение, начиная с металлографического исследования этой неодно­родности и кончая исследованием распределения углерода. И все же есть основания полагать, что структурная неоднородность в зоне сплавления разнородных сталей по своей природе является более сложной, чем она представляется в настоящее время.

Характер травления неаустенитного металла действительно зависит от количества образующихся в нем карбидных соединений. Однако это количество изменяется не только под влиянием обезуг­лероживания и науглероживания. Возможны и другие причины, например перераспределение углерода между твердым раствором и карбидными соединениями вследствие появления дополнитель­ного напряженного состояния, которое в случае сварки разнород­ных сталей может быть вызвано различием коэффициентов линей­ного расширения сплавляемых металлов [18].

Возможность зонального повышения содержания углерода в твердом растворе рассмотрена в литературе. Например, показано, что при определенных условиях охлаждения после нагрева даже в технически чистом железе вокруг отдельных зерен образуются пограничные прослойки, представляющие собой пересыщенный твердый раствор углерода в а-железе [96]. Принято считать, что первопричиной образования этих прослоек является пластическая деформация, развивающаяся в процессе превращения у -> а.

Известны также случаи появления участков с повышенным со­держанием углерода в твердом растворе и в сварных соединениях углеродистых и низколегированных сталей, выполненных газо - и электропрессовой сваркой, а также точечной контактной свар­кой. Образование здесь этой прослойки длительное время объяснялось обезуглероживанием. В последнее время показано, что наблюдаемая при контактной сварке углеродистых и низколе­гированных сталей светлая прослойка вызывается не обезуглеро­живанием, а образованием неравновесного пересыщенного твердого раствора [89].

Методами, используемыми в настоящее время для эксперимен­тального исследования распределения углерода в зоне структурной неоднородности сварных соединений разнородных сталей (контакт­ная радиография, послойный спектральный анализ), можно опре­делить изменение общего содержания этого элемента без учета его распределения между твердым раствором и карбидной фазой, поэтому допустимо предположение, что в зоне сплавления разно­родных сталей содержание углерода изменяется не по представляе­мой в настоящее время схеме (рис. 42), а по схеме, приведенной на рис. 43, т. е. наряду с перемещением углерода из менее легированной стали в более легированную может увеличиваться содержание его в твердом растворе со стороны первой и уменьшаться со стороны
второй. Это может иметь важное значение, так как факторы, вызы­вающие обезуглероживание и науглероживание металла, сущест­венным образом отличаются от факторов, изменяющих содержание углерода в твердом растворе. К сожалению, в настоящее время нет еще метода, с помощью которого можно экспериментально под­твердить указанное предположение.

Что касается механизма образования рассматриваемой неоднородности, то многочисленные исследования показы­вают, что основу его действительно со­ставляет перемещение углерода из менее легированного металла в более легиро­ванный, вызываемое меньшим содержа-

Суп

SHAPE * MERGEFORMAT

нием этого элемента в твер - дом растворе более леги­рованного металла. Со­гласно общей теории сплавов, углерод в стали может нахо­диться в растворенном виде либо в виде химического соеди­нения с другими элементами, входящими в ее состав. В усло­виях производства и обработки стали реакции, связанные с рас­пределением элементов в отдельных фазах, не могут закончиться полностью в соответствии с простым химическим сродством. По­этому углерод в стали, как правило, распределяется между твердым раствором и химическим соединением в пропорции, определяемой константой равновесия, а также составом стали и условиями ее обработки.

Наиболее распространенными химическими соединениями угле­рода в стали являются карбиды легирующих элементов. Следователь­но, количество углерода в твердом растворе будет зависеть от со­держания в ней элементов, способных образовывать карбиды. При этом сказывается не только количество таких элементов, но и их природа. При малом содержании углерода в стали и значительном количестве карбидообразующих элементов основная масса его будет связана в карбиды. Количество углерода в твердом растворе су­щественно уменьшается и тогда, когда сталь легируется карбидо­образующими элементами с более высокой степенью сродства к нему. Этим и обусловлено то обстоятельство, что в твердом растворе более легированного металла содержится меньше углерода, чем в твердом растворе менее легированного металла даже в том случае, если количество этого элемента в первом больше, чем во втором.

Механизм перемещения углерода в зоне сплавления разнородных сталей можно представить следующей схемой. С появлением усло­вий, увеличивающих подвижность атомов, углерод перемещается из менее легированного металла в более легированный, так как в твердом растворе последнего содержание этого элемента меньше. В результате концентрация углерода в твердом растворе менее ле­гированного металла становится меньше равновесной. Если этот металл имеет недостаточно стойкие (в создавшихся условиях) кар­биды, последние частично диссоциируют и нарушенное равновесие восстанавливается. При этом несколько уменьшается общее со­держание углерода в менее легированном металле. Процесс этот будет повторяться до тех пор, пока не установится равновесие, отвечающее создавшимся новым условиям.

Вызываемые рассмотренным процессом диссоциация карбидов и снижение углерода в менее легированном металле сначала про­исходят непосредственно у линии сплавления, а затем постепен­но распространяются на более удаленные участки. В результате через соответствующее время в зоне сплавления со стороны менее легированного металла образуется обезуглероженная прослойка. Переместившийся в более легированный металл углерод связы­вается в термодинамически более стойкие карбиды, которые рас­полагаются непосредственно у линии сплавления, образуя посте­пенно уширяющуюся науглероженную прослойку.

Следует отметить, однако, что результаты некоторых исследо­ваний не согласуются с установившимся представлением о меха­низме образования структурной неоднородности, характерной для нестабильной зоны сплавления. Согласно этому представлению, пе­ремещение углерода в зоне сплавления разнородных сталей проис­ходит по законам обычной диффузии. Основанием для такого ут­верждения явились экспериментальные данные, показывающие, что изменение ширины обезуглероженной прослойки с изменением, времени выдержки зоны сплавления при высокой температуре, а также с изменением температуры, до которой она нагревает­ся, описывается дифференциальными уравнениями параболы и экспоненты, которые выражают зависимость развития диффузион­ных процессов от времени и температуры. Имеются даже предложе­ния вычислять возможность появления в зоне сплавления разно­родных сталей рассматриваемой неоднородности и определять ее степень, т. е. ширину прослоек, используя известные уравнения обычной диффузии.

Одним из исследований, результаты которых не согласуются с установившимся представлением о механизме образования струк­турной неоднородности в зоне сплавления разнородных сталей, является исследование автора, показавшее, что изменение содержа­ния углерода в этой зоне не подчиняется закономерности измене­ния скорости его диффузии (см. гл. III, §1). На этом основании ав­тором сделан вывод, что изменение содержания углерода в зоне сплавления разнородных сталей при ее нагреве не всегда представ­ляет собой процесс обычной диффузии.

Исходя из установившегося представления, трудно объяснить также резкое различие степени структурной неоднородности, часто наблюдаемое в разных участках одного и того же шлифа.

Известны и другие случаи, когда явления, развивающиеся но экспоненциальному закону, не согласуются с процессом обычной диффузии. Например, установлено, что при пайке металла с кера­мическими материалами наблюдаемый в зоне спая переходный слой образуется по закону экспоненты. Вместе с тем прочность спая в зна­чительной степени зависит от факторов, которые не должны сказы­ваться на развивающихся здесь диффузионных процессах [64 J. На этом основании авторы указанной работы также высказывают мнение, что в переходном слое, образующемся при пайке металла с керамикой, происходит не простая диффузия атомов металла в керамику, а более сложный процесс.

Анализируя теоретические положения диффузии, можно также показать, что указанное в литературе удовлетворительное совме­щение изменения ширины обезуглероженной прослойки в зависи­мости от времени выдержки с параболой и в зависимости от изме­нения температуры — с экспонентой является недостаточным аргу­ментом для категорического утверждения о простом диффузионном механизме образования структурной неоднородности в зоне сплав­ления разнородных сталей. Несомненно, диффузионный механизм здесь составляет основу, но осуществляется он по более сложному закону, чем принятый в настоящее время для обычной диффузии элементов.

Параболический закон изменения толщины (ширины) диффузи­онного слоя во времени бесспорно справедлив только для случаев атомной диффузии, которая происходит в пределах одной фазы (однофазная диффузия) и завершается образованием твердого рас­твора с решеткой растворителя. Структурная неоднородность в зоне сплавления разнородных сталей вызывается реактивной диффузией углерода, т. е. такой диффузией, в результате которой образуется новая фаза — карбид.

Для определения параметров реактивной диффузии нельзя непосредственно применять законы атомной диффузии. Они могут быть справедливыми лишь при соблюдении определенных погранич­ных условий и только для некоторых случаев реактивной диффузии |!)4]. Таким условием является линейное падение концентрации диффундирующего элемента в пределах диффузионного слоя. Необходимо, кроме того, чтобы разность концентраций на обеих границах слоя при данной температуре была постоянной.

Следует отметить, что известные уравнения диффузии выведены с рядом допущений, в силу чего они могут отражать не все случаи диффузионных процессов. Так, параболический закон изменения ширины диффузионного слоя с изменением температуры установлен с учетом того, что коэффициент диффузии в данной среде и при дан­ной температуре является постоянным. Известно, однако, что в большинстве случаев этот коэффициент существенно изменяется с изменением концентрации диффундирующего элемента, умень­шаясь с ее увеличением. Например, коэффициент диффузии угле­рода в у-железе изменяется от 2,5 • 10~7 см2/с при концентрации этого элемента 0,15% до 7,7 ■ 10~7 см2/с при концентрации 1,4% [118].

Другое допущение, которое принято при выводе уравнений диффузии, состоит втом, что диффузионные процессы определяются только градиентом концентрации. Такое допущение действительно только для идеальных растворов. В реальных же растворах, и тем более в многокомпонентных системах, к которым, исходя из общей терминологии теории диффузии, следует отнести зону сплавления разнородных сталей, диффузионные процессы (направление и их скорость) определяются не градиентом концентрации, а градиентом химического потенциала системы, в которой они происходят. Ины­ми словами, направление и скорость диффузии здесь будут опреде­ляться не разностью концентраций диффундирующего элемента, а разностью его активностей в сопрягаемых средах. При этом диффузия будет происходить в направлении, которое приводит систему в состояние с минимальной свободной энергией. Поэтому диффузионные процессы в зоне сплавления разнородных сталей могут происходить даже в сторону отрицательного градиента кон­центрации, т. е. здесь может иметь место так называемая «восходя­щая» диффузия [83].

Кроме того, как показали последующие исследования, на диф­фузионные процессы оказывает влияние ряд других факторов, которые не учитываются существующими уравнениями диффузии. Например, на диффузии в твердых металлах сказывается тип крис­таллической решетки [75] — в металлах с некубической решеткой коэффициент диффузии будет разным в различных направлениях. Оказывают влияние на развитие диффузионных процессов и такие несовершенства в строении реальных металлов, как вакансии и дислокации. Имеется много сведений о том, что на диффузию в по- ликрисгаллическом металле заметное влияние оказывает наличие границ зерен (границ раздела). Причем, влияние этих границ зави­сит от их расположения по отношению к направлению диффу­зионного потока: продольные ускоряют диффузию, поперечные — замедляют [6]. В результате температурная зависимость коэффи­циента диффузии в поликристалле с раздробленной структурой может иметь криволинейный характер, а не прямолинейный, как это имеет место при диффузии в металле с более крупным зерном.

Исходя из изложенного, можно согласиться с утверждением, что в большинстве проведенных исследований по диффузии углерода условия интегрирования расчетных уравнений не соответствуют действительным условиям протекания диффузионных процессов [5]. В имеющейся литературе можно найти экспериментальные данные, которые показывают, что кривые, построенные в координатах «кон­центрация — глубина проникновения» в случае реактивной диффу­зии, имеют иной ход, чем при атомной диффузии.

Наконец, в результате исследований некоторых процессов, обусловленных реактивной диффузией в твердом теле, получены данные, которые показывают, что сложившееся представление о механизме этой диффузии нуждается в уточнении, особенно если она протекает в температурных условиях, подобных условиям эк­сплуатации сварных соединений разнородных сталей. Так, при исследовании окисления армко-железа и электролитического ко­бальта в области средних температур (400—650° С) получено зна­чение кажущейся энергии активации значительно меньше, чем это следует из классического представления о процессе диффузии [37].

Изложенное позволяет заключить, что к настоящему времени не полностью раскрыта природа структурной неоднородности, об­разуемой в нестабильной зоне сплавления разнородных сталей. Не полностью раскрыт и механизм образования этой неоднород­ности. Сложившееся представление о природе и механизме обра­зования структурной неоднородности в зоне сплавления разнород­ных сталей не учитывает возможного изменения растворимости углерода в условиях зоны сплавления разнородных сталей, со­стояния карбидной фазы, от которого должна зависеть скорость процесса перераспределения углерода между твердым раствором и этой фазой, а также величины зерна, которая существенно сказы­вается на коэффициенте диффузии элемента. Сложившееся пред­ставление не учитывает также наличия в зоне сплавления разнород­ных сталей специфических факторов, например напряженного со­стояния, вызываемого различием коэффициентов температурного расширения сплавляемых металлов, в силу которых перемещение углерода должно представлять более сложный диффузионный процесс, чем процесс, описываемый известными уравнениями диф­фузии. Поэтому сложившееся представление о природе и механизме образования структурной неоднородности в зоне сплавления разно­родных сталей требует уточнения.