Химическая неоднородность сварных соединений

Формирование сварного соединения сопровождается диффузионными процессами между твердой и жидкой фазами, которые приводят к перераспределению химических элементов. По мере увеличения количества затвердевшего металла состав остающегося сплава непрерывно меняется. Содержание примесей в различных участках шва может быть различно, что приводит к изменению прочностных свойств. Рассмотрим процесс кристаллизации сплава с содержанием в расплаве Со примесного элемента в интервале температур Т₀ – Т₂ . Сплав может образовывать твердый раствор.

Т

Т₀

А₀

В₀

Т₁

А₁

В₁

Т₂

А₂

В₂

С

С_т0 С_т1 С_т2 = С_ж0 С_ж1 С_ж2

В начальный момент затвердевания состав твердой фазы соответствует точке Во на линии солидуса, причем С_т0 < С₀ . Т.К. твердая фаза обеднена компонентом примеси, то при дальнейшем охлаждении жидкая фаза обогащается по линии ликвидуса и при окончании затвердевания последние порции жидкой фазы будут иметь концентрацию, соответствующую точке А₂ .

Итак, вследствие того, что твердая фаза всегда обеднена легирующим компонентом, на межфазной границе образуется слой жидкости, обогащенной примесью – образуется концентрационное уплотнение.

При замедленном затвердевании вследствие диффузии и конвективных процессов избыток примеси отводится от межфазной границы и состав твердой и жидкой фазы выравнивается.

В реальных условиях сварки диффузия в твердую фазу незначительна и полного выравнивания концентраций не происходит. В последних порциях жидкости концентрация примеси может приблизиться к эвтектической. Оттесняемые гранями растущих кристаллитов, последние порции жидкости образуют межзеренные прослойки.

Неоднородность по химическому составу вследствие процесса неравномерной кристаллизации называется ликвацией. Наличие ликвационных зон с увеличенной концентрацией примеси при водит к существенному снижению температуры конца затвердевания. Распределение примеси характеризуется коэффициентом распределения К = Ст/Сж . Для большинства сплавов К меньше единицы.

Различают следующие виды химической неоднородности сварных швов:

1. Внутрикристаллитная – проявляется как различное содержание примеси в последовательно кристаллизующихся точках кристаллита.



C₁<C₂<C₃

2

1

3

Для практики наибольший интерес представляют последние стадии кристаллизации с минимальной температурой солидуса, т.к. именно эта температура определяет температурный интервал хрупкости.

2. Межкристаллитная неоднородность – определяется как соотношение концентраций в центре и пограничной зоне кристаллитов. В пограничной зоне между кристаллитами резко возрастает степень химической неоднородности вплоть до образования новой фазы.

3. Сегрегация примесей – перераспределение примесей в твердой фазе в результате диффузионных процессов. Примеси концентрируются по границам зерен, ухудшая механические свойства металла шва и околошовной зоны.