3. Влияние концентрации диффундирующего вещества.
Зависимость скорости диффузии от концентрации диффундирующего элемента выражена уравнением
Скорость диффузии снижается по мере снижения градиента концентрации.
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 третьего компонента, занимающего вакантные места, может затруднить диффузию;
с другой — наличие инородных атомов в кристаллической решетке искажает ее и тем самым облегчает диффузию.
При диффузии углерода в g-железе легирующие (третьи) элементы, которые не образуют стойких карбидов, а только искажают кристаллическую решетку растворителя, уменьшают работу разрыхления Q и ускоряют процесс диффузии. К числу этих элементов относятся, например, Ni и Со.
Если легирующие элементы образуют карбиды более стойкие, чем карбид железа, то наличие их в твердом растворе в качестве третьего компонента увеличивает работу разрыхления и затрудняет диффузию. Такими элементами являются, например, Мп, Сг, Мо.
Итак:
- сродство к кислороду (интенсивность окисления) оценивается по изменению изобарно-изотермного потенциала и упругости диссоциации окисла,
- диффузия определяется температурой среды, различием в физических и химических свойствах веществ, градиентом концентрации и влиянием третьих компонентов.
Влияние температуры на сродство металлов к кислороду. Ряд металлов по возрастанию сродства к кислороду. Особенность углерода в качестве раскислителя.
Влияние температуры на диффузию. Влияние различия в физических и химических свойствах веществ на диффузию. Влияние градиента концентраций на диффузию (что такое градиент концентраций).
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Особенности процессов диффузии в условиях сварки плавлением.
Диффузионные явления играют важную роль во многих процессах, протекающих при сварке. К числу таких процессов относится
- газонасыщение расплавленного металла капель и сварочной ванны,
- обмен между металлом и шлаком, т. е. раскисление, легирование металла и очищение его от вредных примесей.
Диффузия вызывает перераспределение элементов в зоне сварного соединения.
Однако из-за ограничения по времени диффузионные процессы носят незаконченный характер, что вызывает возникновение микронеоднородности сварных швов.
Процесс диффузии объясняет такие важнейшие процессы, как рост зерен, перераспределение напряжений по объему тела, рекристаллизацию, ползучесть сварных соединений и т. д.
При сварке плавлением взаимодействуют между собой газообразная, жидкая и твердая фазы, вследствие чего протекание диффузионных процессов возможно в следующих условиях:
1) между газовой и жидкой фазами;
2) в жидкой фазе;
3) на границе между несмешивающимися жидкостями (жидкими металлом и шлаком);
4) на границе между жидкостью и твердой фазой;
В твердой фазе.
Во всех перечисленных случаях условия протекания диффузии, а, следовательно, и активность диффузионных процессов, различны. Рассмотрим каждую из этих схем в отдельности:
1. ( между газовой и жидкой фазами)
Составляющие атмосферу дуги газы, адсорбированные поверхностью жидкого металла, диффундируют в него как в переносимых каплях, так и в сварочной ванне.
В каплях наиболее благоприятны условия для диффузии газов.
- Влияние температуры на процессы диффузии. Так, повышение температуры с 20 до 950 °С увеличивает коэффициент диффузии азота в a-железе на 10порядков. Очевидно, при температуре переносимых капель, которая для железа достигает 2300 °С, величина этого коэффициента возрастает во много раз.
- Высокая удельная площадь поверхности капли.
| Площадь поверхности шара | F=4πR2 |
| Объем шара | V=4/3* πR3 |
| Удельный объем поверхности шара | F/V=3/R |
| Увеличение радиуса шара (капли) в 2 раза ведет к уменьшению относительной площади шара в 2 раз. |
В рассматриваемом случае имеем дело с поверхностной диффузией, активность которой значительно выше активности аналогичных процессов, протекающих внутри жидкого или твердого тела.
- Ускорению диффузии газов в капли электродного металла способствует также интенсивный отвод диффундирующего элемента вглубь металла, обусловленный активным перемешиванием внутренних и наружных объемов капли. Вследствие этого вблизи фазовой границы создаются высокие градиенты концентраций, в свою очередь способствующие активизации диффузии.
В сварочной ванне. Диффузионные процессы между газовой средой и металлом сварочной ванны идут менее активно, чем в каплях, что связано с более низкой температурой металла ванны и меньшей относительной поверхностью реакции.
Таким образом, максимальное газонасыщение металла при сварке плавлением обычно наблюдается в каплях, тогда как в сварочной ванне по мере снижения температуры и, соответственно, предела растворимости избыточная часть газов стремится выделиться из металла.
В некоторых случаях имеет значение диффузия газов в твердый металл. Так, при сварке титана водород и азот окружающей среды могут активно диффундировать вглубь твердого металла на участках, нагретых до высокой температуры, и резко снижать качество сварных соединений. Чтобы избежать этого, приходится защищать не только расплавленный металл, но и всю зону нагрева от контакта с окружающей атмосферой.
2. (в жидкой фазе) Процессы диффузии элементов в расплавленных металлах изучены пока еще очень мало. Коэффициенты диффузии элементов в жидком металле близки между собой, тогда как по отношению к твердым металлам они отличаются друг от друга на несколько порядков. На перемещение элементов в ванне жидкого металла большее влияние оказывает перемешивание под воздействием газового дутья дуги.
3. ( на границе между несмешивающимися жидкостями ) Примером двух несмешивающихся жидкостей в условиях сварки могут служить расплавленные металл и шлак. На границе между ними постоянно осуществляется диффузионный обмен элементами, т. е. переход элементов из металла в шлак или наоборот. Если такой обмен протекает достаточно длительное время, элемент распределяется между жидкостями по закону Нернста.
Следует иметь в виду, что константа распределения элемента в зависимости от температуры жидкостей принимает различные значения, поскольку растворимость элемента в этих различных жидкостях при повышении или понижении температуры может изменяться неодинаково.
Диффузия между жидким металлом и шлаком протекает активнее в каплях и несколько менее активно в сварочной ванне, особенно в низкотемпературной ее части. Причиной этого является высокая температура и большая относительная поверхность реакции у капель.
4. Диффузионные процессы на границе между твердым и жидким телом обладают той особенностью, что скорость их определяется интенсивностью диффузии в твердом теле, так как она обычно во много раз меньше скорости диффузии в жидкости.
Скорость диффузии на границе раздела жидкой и твердой фаз зависит от разности концентрации диффундирующего элемента в них, но определяется не только этим фактором. Даже если контактируют твердая и жидкая фазы одного химического состава, диффузия вполне возможна, если растворимость какого-либо элемента в твердой и жидкой фазах различна. – Это процесс диффузии на границе оплавления, которая в условиях сварки достаточно быстро перемещается по мере перемещения дуги.
Рассмотрим диффузионный процесс в образце, изготовленного из сплава с концентрацией С0 исследуемого элемента. Как правило, растворимость элемента в жидком расплаве выше, чем в твердом растворе. Рассмотрим процессы на границе раздела твердого и жидкого тела. Поскольку исследуемый элемент лучше растворим в жидкой фазе, он начнет переходить из поверхностных слоев твердой фазы в жидкую, причем твердая фаза будет обедняться им, а жидкая обогащаться до тех пор, пока на границе не установятся равновесные соотношения концентраций. В связи с тем, что вблизи линии сплавления твердая фаза обеднена элементом, в глубинных слоях металла возникнет направленный к поверхности раздела диффузионный поток элемента Ф1 (рис. 98).
Одновременно от жидкого слоя, имеющего повышенную концентрацию элемента, в глубь жидкой фазы будет идти противоположный диффузионный поток Ф2.
Приведенные соображения указывают на возможность большой химической неоднородности металла вблизи границы сплавления. Однако последующая диффузия в уже затвердевшем охлаждающемся металле значительно выравнивает концентрацию элемента, что изображено на рис. 98 штриховой линией. Таким образом, в результате описанных процессов вблизи границы раздела твердого и жидкого металла образуются тонкие слои металла, обогащенного и обедненного диффундирующими элементами.
5. В твердом металле диффузия протекает довольно медленно. Тем не менее, при сварке она может существенно влиять на его структуру и свойства. О сновные причины диффузии в твердом металле такие:
1)значительное изменение растворимости элемента в процессе фазовых превращений основного металла-растворителя ( скачок растворимости при аустенита в феррит );
2) неравномерный нагрев и связанная с температурой различная растворимость элемента в разных объемах металла;
3) выпадение из твердеющего раствора легкоплавких химических соединений (ликвация), приводящее к обеднению его и появлению диффузионных процессов выравнивания;
4) наличие неоднородности концентрации элементов металла к моменту его затвердевания.
Температурное поле, а, следовательно, и зоны с различным содержанием диффундирующих компонентов, перемещается при сварке вместе с источником тепла, поэтому результат диффузионных процессов заметен только тогда, когда скорость диффузии соизмерима со скоростью сварки. Для большинства элементов скорость диффузии в твердом теле существенно ниже скорости перемещения границы затвердевания.
Расчеты и эксперименты показывают, что в твердом металле диффузионные эффекты могут наблюдаться только для водорода, диффузионная способность которого в 10— 100 раз больше, чем способность других элементов.