В процессе диффузии перемещение атомов внедрения и атомов замещения происходит по-разному, характеризуется различными энергетическими параметрами и протекает с различной скоростью.

Небольшие по размеру атомы внедрения значительно отличаются от параметров решетки и размеров атомов растворителя, они удерживаются в своих положениях менее устойчиво, чем находящиеся в узлах атомы замещения. Кроме того, чем меньше размер внедренного атома, чем больше он отличается от атома растворителя, тем слабее он удерживается в кристаллической решетке и тем меньше его энергия активации диффузии и больше скорость диффузии (табл. 4.1).

Для элементов, образующих растворы замещения, зависимость энергии активации от физических характеристик элемента оказывается более сложной. Помимо соотношения размеров диффундирующего атома и атома растворителя приобретают значение и другие факторы, например способность к всестороннему сжатию растворенного атома, возможность в связи с этим уменьшения его размеров.

Значения энергии активации некоторых элементов в ^-Ие, дающих растворы замещения, приведены ниже:

Наибольшей подвижностью обладают атомы серы, что создает предпосылки для устранения при нагреве ликвации по сере. Наиболее трудно устраняется химическая неоднородность по хрому и вольфраму. Диффузия углерода и легирующих элементов в а- и т-Fe идет с различной скоростью. В a-Fe энергия активации диффузии углерода меньше, а скорость диффузии больше:

Элемент. С Fe Мо W Сг

Q в a-Fe, кДж/моль. 75 247 272 292 338

Q в v-Fe, кДж/моль. 151 284 32? 326 406

Повышенная скорость диффузии в a-Fe создает предпосылки для активного протекания процессов при температуре нагрева несколько ниже Асг, что может иметь место при эксплуатации сварных соединений теплоэнергетического оборудования, химической и нефтеперерабатывающей промышленности, работающего часто

иг10 иг*

1Вгп ¿L---.--

«4^l.l., I,_,1 ,, I.

-10 -10100 200 100 800t°C •

Рис. 4.2. Зависимость коэффициента диффузии углерода в a-Fe от температуры

12 3^5 ат.%

Рис. 4.3. Влияние легирования а-Ре на коэффициент диффузии углерода при температуре 700 °С

в интервале температур 500 —650 °С, а также при термообработке сварных соединений в режиме высокого отпуска.

Для сварных соединений важно, что по границам зерен диффузионные процессы идут активнее, чем по телу зерна, что связано с большей плотностью несовершенств кристаллического строения по границам зерен. В результате этого сосредоточение по границам зерен различного рода примесей и, прежде всего, углерода, водорода и серы определяет возможность значительного изменения свойств металла этих зон, их поведения при деформации и разрушении. Состояние границ зерен для сварных соединений имеет большее значение, чем для свариваемого металла в связи с наличием крупных литых кристаллов в металле шва и выросшего зерна в околошовной зоне.

Поскольку процесс диффузии связан с энергетическими характеристиками взаимодействия диффундирующего атома с решеткой растворителя, большое влияние на процесс оказывают температура и состояние решетки растворителя — наличие в ней инородных атомов — атомов легирующих элементов. Таким образом, скорость диффузии какого-либо элемента в легированной стали зависит от характера и степени ее легирования. Несомненно, имеет значение и концентрация атомов диффундирующего элемента.

Зависимость скорости диффузии от температуры — степенная (рис. 4.2). Влияние легирования a-Fe на коэффициент диффузии углерода при температуре 700 °С показано на рис. 4.3.

4.2. ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ

Рассмотренные закономерности диффузии относились к случаю перемещения растворенных атомов в однородном твердом растворе при наличии градиента их концентрации, т. е. в твердом состоянии металлы А и Б неограниченно растворимы друг в друге

Энергия активации диффузии различных элементов, дающих растворы внедрения в а-Ре