СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Перераспределение примесей

Перераспределение примесей происходит в период их пребыва­ния в температурных областях, когда имеет место заметная диф­фузионная подвижность этих элементов. При этом возможны два противоположных процесса: выравнивание концентрации элементов по объему — гомогенизация или их накопление на отдельных структурных составляющих, границах зерен и скоп­лениях дефектов кристаллической решетки — сегрегация. Гомо­генизация приводит к устранению микрохимической неоднород­ности (МНХ), возникшей при первичной кристаллизации сплавов.

Для двухкомпонентных сплавов движущей силой выравни­вающей диффузии является градиент концентрации, а ее ско­рость пропорциональна коэффициенту диффузии растворен­ного элемента. Заметное развитие гомогенизация получает в об­ласти температур свыше 0,87^ К как в процессе нагрева, так и охлаждения. Скорость гомогенизации резко возрастает с по­вышением температур и временем пребывания при них. По мере развития гомогенизации ее скорость постепенно затухает, поскольку уменьшается градиент концентрации. Процесс гомо­генизации получает существенное развитие при сварке в ОШЗ сварных соединений.

В многокомпонентных системах, какими являются современ­ные технические сплавы, движущей силой диффузионного пере­распределения элементов является не градиент концентраций, а градиент его химического потенциала. Последний определяет изменения свободной энергии локального объема твердого рас­твора или фазы данного состава прн добавлении одного моля диффундирующего элемента. В свою очередь химический по­тенциал будет зависеть от термодинамической активности эле­мента, определяемой его концентрацией и взаимодействием с другими элементами, находящимися в растворе. Одни из них могут повышать, другие — понижать активность диффундирую­щего элемента. Диффузия элемента идет от зон, где его актив­ность выше, в зоны, где она ниже. В этом случае возможна
так называемая восходящая диффузия, при которой поток эле­мента направлен против градиента концентраций, т. е. в сто­рону ее увеличения. При этом на первом этапе пребывания сплава при высоких температурах возможно усиление МХН некоторых элементов, а затем, после перераспределения других элементов,— его выравнивание по объему.

Сегрегация обусловлена перераспределением элементов между объемом зерен и их границами, имеет сложный харак­тер и зависит от температуры. Для двухкомпонентных твердых

Рнс. 5.12 Схема развития неравновесной сегрегации примесей на границах зерен при

нагреве (а) и охлаждении {б).

гз> ^гр — равновесная концентрация в зерне и на границе, сг> н, сг и — неравновес­ная концентрация на границах соответственно для малой и большой скорости нагрева, сг о— концентрация примесей на оплавленных границах, Г^, Т с н— температуры начала

диффузии примеси н неравновесного солидуса; ^тах > ^тах — различные максималь­ные температуры нагрева

растворов движущей силой процесса является тенденция к уменьшению энергии упругих искажений решетки при пере - ходе растворенных элементов из зон зерна, не имеющих дефек­тов кристаллического строения, в зоны скопления несовершенств строения решетки, которыми в первую очередь являются гра­ницы зерен. Предельное развитие процесса — образование так называемой равновесной сегрегации элементов на границах зерен, которая оценивается отношением равновесных концент­раций элементов на границе сг. р н в объеме зерна с3. Согласно теоретическим представлениям сг. р возрастает по мере сниже­ния температуры (рис. 5.12). В условиях нагрева или охлаж­дения при сварке действительная или неравновесная сегрега­ция на границах сг. н начинает развиваться при температурах выше температуры заметной диффузионной подвижности рас­творенного элемента Гд. По мере повышения температуры сг. н будет возрастать вплоть до достижения сг. Р. Интенсивность
изменений Сг. н и степень приближения ее К Сг. р будут тем больше, чем больше коэффициент диффузии растворенного эле­мента и меньше скорости нагрева и охлаждения. При дальней­шем' возрастании температуры сг. н будет снижаться, согласуясь с зависимостью изменения сг. р от температуры. Начнется про­цесс «рассасывания» сегрегата на границах, т. е. гомогенизация, помимо внутренних объемов зерна, распространится на пригра­ничные области. При охлаждении процесс развивается в сто­рону повышения сг. н до достижения сг. р. Концентрация приме­сей на границах может также уменьшаться в результате ми­грации границ при росте зерен, если она сопровождается термическим отделением границы от примеси.

При нагреве участка ОШЗ около линии сплавления свыше температуры неравномерного солидуса То. н происходит оплав­ление приграничных участков зерен. Если растворенный элемент понижает температуру плавления сплава, то сегрегация его на границах приводит к более раннему расплавлению пригранич­ных участков при Тс. И<ТС (равновесного солидуса). При этом границы зерен как поверхности раздела исчезают. Появление жидкой фазы приводит к появлению нового «ликвационного» механизма перераспределения растворенного элемента между твердым телом зерна и оплавленными приграничными участ­ками. Он подобен ликвационному механизму образования меж - дендритной МХН при первичной кристаллизации. Более высокая растворимость легирующих элементов и примесей в жидком металле обусловливает насыщение ими оплавленных участков в результате направленной диффузии из твердой в жидкую фазу до концентрации сг. о - Степени МХН в данном случае со­измеримы с МХН в литом металле.