Лекция 8. Некоторые примеры диффузионных процессов при сварке.

Од­ним из важнейших результатов диффузионных процессов при сварке является рост зерна металла в шве и в зоне термического влияния при длительном нагреве выше температуры А_сз. 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, а также вследствие некоторых других причин.

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. Постепенное снятие собственных напряжений (релакса­ция) происходит и при нормальной температуре, однако идет оно очень медленно и тянется годами. Нагрев конструкции до 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 (Ст З + 1Х18Н9Т), несмотря на все меры предосторожно­сти, некоторая часть углерода диффундирует из сравнительно вы­сокоуглеродистого основного металла (СтЗ) в низкоуглеродистый нержавеющий слой и антикоррозионные свойства нержавеющего слоя снижаются.

Подобное явление наблюдается и при наплавке чугуна на сталь или стали на чугун. Небольшой объем чугуна вблизи поверхности сплавления обедняется углеродом, кремнием и другими элемен­тами за счет диффузии их из чугуна в сталь. В то же время некото­рый объем стали насыщается этими элементами и образует очень твердую прослойку высокоуглеродистой стали, плохо поддающейся механической обработке.

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 Си с Al, Fe с Си и т. п.

Приведенных выше примеров, очевидно, достаточно для того, чтобы подчеркнуть значение диффузионных процессов в условиях сварки плавлением и обратить внимание на необходимость дальней­шего глубокого их исследования.