Таблица 17. Значения относительной сегрегации примеси при различных условиях

Примечание. Над чертой приведены значения С8 (*)/С0 при х = 0,1 мкм, под чертой — при х = 1,0 мкм.

от химического состава металла, содержания ликвирующего компонента, режимов сварки и т. д.

Рассмотрим особенности сегрегации серы, которая является одной из основных причин образования кристаллизационных трещин при сварке углеродистых и низколегированных сталей. Как известно, сера относится к компонентам, весьма склонным к сегрегации в металле, что, в частности, было отмечено в гл. III. Из формулы (III.7) следует, что концентрация примеси в расплаве на границе с кристаллом изменяется по экспоненте и во многом зависит от величины коэффициента распределения элемента Кр- Если Кр = Ю-2, то концентрация этого компонента на межфазной границе будет в 100 раз больше начальной концентрации.

В табл. 17 [342] даны изменения относительной сегрегации примеси Сц (х)/С0 в зависимости от скорости кристаллизации расплава и3, величины коэффициента распределения элемента Кр при расстоянии от поверхности кристалла, равном 0,1 и 1,0 мкм. При этом было принято, что коэффициент диффузии постоянен и составляет 5 • Ю-1 м2/с.

Как видно, величина относительной сегрегации возрастает с уменьшением скорости кристаллизации и величины коэффициента распределения примеси и проявляется в большей мере вблизи поверхности кристаллов.

Значения коэффициентов распределения для элементов Р; Мп; С; 02; S; Al; Si; Ti и Zr в б-железе, полученные для бинарных систем, согласно [342], соответственно равны 0,2; 0,15; 0,25; 0,1; 0,002; 0,6; 0,7; 0,6 и 0,5. Следовательно, при одинаковых условиях на границах зерен будет концентрироваться в первую очередь сера и кислород, а затем Мп, Р, С, Zr, Ti, Al и Si. Поэтому образование на границах зерен сульфидов возможно даже при низком содержании серы в металле.

Из сравнения величин коэффициентов распределения становится ясным и положительное влияние марганца в разрушении пленки FeS.

Из практики известно, что Мп в большей мере снижает опасность появления кристаллизационных трещин, чем Zr и Ti, хотя последние образуют более устойчивые сульфиды, чем марганец. Это можно объяснить следующим образом. Очевидно, относительная скорость образования сульфидов во многом зависит от поверхностной концентрации реагирующих компонентов. Поэтому присутствующие в поверхностном слое S, Мп, Zr и Ti будут иметь одинаковую тенденцию к образованию сульфидов в том случае, если изменение свободной энергии в процессе образования сульфидов будет одинаковым, т. е. AGs-мп = AGs-zr = ACs-Ti.

Преимущественное образование сульфидов тем или иным компонентом будет происходить, если соответствующее его реакции отрицательное значение AG, величину которого следует определять с учетом поверхностной концентрации компонентов, будет большим.

Поскольку величина Кр для Мп значительно ниже, чем у Zr и Ti, то марганец будет сегрегировать к границам зерен примерно в 10 раз больше, чем Zr и Ti, и вероятность образования сульфидов марганца будет выше, чем образование сульфидов циркония и титана. Поэтому, так как межатомные силы Мп—S значительно выше связи атомов Fe—S, наличие Мп в расплаве будет в большей мере способствовать разрушению сульфидных пленок FeS, чем наличие Zr и Ti. Низким значением коэффициента распределения (Кр 0,02) редкоземельных элементов [30] можно объяснить значительное снижение вредного влияния серы при введении этих элементов в металл.

Таким образом, свойства границы между кристаллом и расплавом, ее состав будут иметь важное значение в процессе образования кристаллизационных трещин. Поэтому рассмотрим термодинамические особенности системы зерно — расплав. Если в металле имеется i примесей (/ == 1,2, .) в количестве Ni и их химический потенциал р:(- отличен от химического

177