процессы диффузии влияют на степень химической и механической неоднородности металла шва и сварного соединения. Особенно большое значение процессы гетеродиффузии имеют для формирования сварных соединений разнородных сталей и разнородных металлов, так как обычные закономерности диффузионного процесса осложняются специфическими условиями диффузии — реакционной диффузией и диффузией, вызванной влиянием состава на изменение термодинамической активности растворенного и диффундирующего вещества.

4.1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДИФФУЗИИ

Основной параметр диффузии — скорость переноса массы перемещающегося элемента, металла через единицу площади сечения за единицу времени. Основной причиной перемещения растворенного вещества служат разность его концентраций в соседних объемах и стремление к равномерному распределению. В этом случае масса М перемещающегося вещества пропорциональна разности концентраций йс и обратно пропорциональна интервалу расстояния йх, на котором имеет место градиент концентрации

М в —ВйсШ.(4.1)

Коэффициент пропорциональности В — коэффициент диффузии характеризует количество вещества в граммах или молях, перемещающегося через единицу площади за единицу времени при градиенте концентрации, равном единице. Знак минус показывает, что диффузия идет в направлении уменьшения йс1(1х.

Выражение (4.1) характеризует первый закон диффузии (первый закон Фика), связывающий массоперенос с перепадом концентрации диффундирующего элемента. Коэффициент диффузии — очень важный показатель данного процесса. При определенной температуре он зависит в основном от природы растворителя и диффундирующего вещества. Зная, например, коэффициенты диффузии различных элементов в а- и у-Ре, можно судить о способности соответствующих растворов к гомогенизации или, наоборот, к гетерогенизации во время пребывания при той или иной температуре, что имеет значение для регулирования параметров термообработки, а следовательно, свойств, химической и механической неоднородности сварных соединений.

Особенно сильно коэффициент диффузии зависит от температуры:

В « В0 е-г/(«г)(4_2)

1п В = 1п В0 — 0/(/?Г),(4.3)

где В0 — предэкспоненциальный множитель; 0_ — энергия активации диффузии; Я — газовая постоянная; Т — температура. 58

Предэкспоненциальный множитель зависит от типа кристаллической решетки

В0 ~ 2а2/(Щ,(4.4)

где а — межатомное расстояние; N — число Авогадро; & — постоянная Планка.

Энергия активации диффузии зависит от энергии связи диффундирующего атома в решетке растворителя. Чем выше (2, тем сильнее удерживается атом в первоначальной позиции, тем ниже В и меньше скорость диффузии.

По мере протекания процесса диффузии разность концентраций растворенного, диффундирующего вещества уменьшается и меняется градиент концентрации йс1&х. Это изменение градиента концентрации со временем т учитывается вторым законом диффузии (второй закон Фика), который для одноосного потока имеет вид

дх

д2с дх*

(4.6)

гдес0 — исходная концентрация; Ф ^ 2 ^ —функция Крампа, находят по таблицам зависимости от аргумента

Выражение (4.6) служит для определения коэффициента диффузии при разных температурах на основе экспериментально установленных значений с0, с и х за время т. При этом все рассмотренные закономерности справедливы для протекания процессов диффузии при концентрациях, не достигающих предела насыщения растворенного элемента.

Зная коэффициент диффузии В и продолжительность процесса т, по выражению X сау^Юх можно приближенно оценить размер диффузионной зоны для данного элемента и растворителя. Это выражение показывает, что графически зависимость х = [(х) является параболической, что позволяет судить о характере рассматриваемых процессов и оценивать роль диффузии в их протекании.

Для состояния и свойств сварных соединений, прежде всего сталей, имеет значение диффузионное перемещение углерода, водорода, серы, фосфора, железа, марганца, хрома, молибдена, ванадия, алюминия и некоторых других элементов. Диффузия этих элементов определяет степень химической и механической неоднородности сварных соединений, протекание процессов рекристаллизации, изменение свойств при термообработке и т. п.