Рис. 98. Схема диффузионных процессов вблизи границы твердого и жидкого металла, имеющего одинаковый средний химический состав.

диффузия вполне возможна, если растворимость какого-либо элемента в твердой и жидкой фазах различна. Предположим, что мы имеем образец, изготовленный из сплава с концентрацией С0 исследуемого элемента. Допустим, что этот элемент обладает большей растворимостью б жидком расплаве, чем в твердом растворе, как обычно и бывает на практике. Расплавим часть исследуемого образца и рассмотрим процессы на границе раздела твердого и жидкого тела.

Поскольку исследуемый элемент лучше растворим в жидкой фазе, он начнет переходить из поверхностных слоев твердой фазы в жидкую, причем твердая фаза будет обедняться им, а жидкая обогащаться до тех пор, пока на границе не установятся равновесные соотношения концентраций. В связи с тем, что вблизи линии сплавления твердая фаза обеднена элементом, в глубинных слоях металла возникнет направленный к поверхности раздела диффузионный поток элемента Фх (рис. 98). Одновременно от жидкого слоя, имеющего повышенную концентрацию элемента, в глубь жидкой фазы будет идти противоположный диффузионный поток Ф,. При достаточно быстром охлаждении образца неравномерное распределение элемента, показанное на рис. 98, может быть зафиксировано и установлено спектральным локальным анализом.

Приведенные соображения указывают на возможность большой химической неоднородности металла вблизи границы сплавления. Однако последующая диффузия в уже затвердевшем охлаждающемся

металле значительно выравнивает концентрацию элемента изображено на рис. 98 штриховой линией.

Таким образом, в результате описанных процессов вблизи гра-ницыраздела твердого и жидкого металла образуются тонкие слои металла, обогащенного и обедненного диффундирующими элементами. На рис. 99 показана неоднородность распределения серы вблизи линии сплавления." белая полоса соответствует зоне основ-

Рис. 99. Неоднородность распределения серы вблизи линии сплавления.

'ного металла, обедненного серой, темная полоса со стороны шва — зоне с повышенным содержанием серы.

В условиях сварки, когда время контакта твердой и жидкой фаз сравнительно мало, результаты диффузии наблюдаются в малых объемах, прилегающих к поверхности раздела фаз.

5. В твердом металле диффузия протекает довольно медленно. Тем не менее при сварке она может существенно влиять на его структуру и свойства. В этом случае основные причины диффузии такие:

1)значительное изменение растворимости элемента в процессе фазовых превращений основного металла-растворителя;

2)неравномерный нагрев и связанная с температурой различная растворимость элемента2 в разных объемах металла;

3)выпадение из твердого раствора химических соединений, приводящее к обеднению его и появлению диффузионных процессов выравнивания;

4)наличие неоднородности концентрации металла к моменту его затвердевания.

Если считать, что фазовые превращения из Б в А в твер дом металле протекают при некоторой определенной температуре Тф, то изотермическая поверхность, соответствующая этой температуре, будет поверхностью раздела фаз (например, y-Fe и a-Fe), с тем что растворимость элемента в фазах А и В

Св

Ряс 100. Схема диффузионных процессов вблизи поверхности раздела фаз в твердом металле.

служить В связи в общем

случае может быть различной, возникает диффузионный поток (левая стрелка) элемента от фазы А с меньшей растворимостью к фазе В с большей растворимостью (рис. 100). Изотермическая поверхность Тф, а следовательно и поверхность раздела фаз, перемещается при сварке (правая стрелка) вместе с источником тепла, поэтому результат диффузионных процессов заметен только тогда, когда скорость диффузии соизмерима со скоростью сварки. Расчеты и эксперименты показывают, что отмеченный эффект может наблюдаться только для водорода, диффузионная способность которого в 10— 100 раз больше, чем способность других элементов.

Растворимость элементов в металле сильно зависит от его температуры. В условиях неравномерного нагрева при сварке градиенты температур очень высоки, вследствие чего в непосредственной близости друг от друга оказываются объемы металла с различной растворимостью диффундирующих элементов. Возникновение диффузионных потоков атомов между этими объемами вообще возможно. Однако в результате перемещения температурного поля со скоростью сварки и кратковременности термодиффузионных процессов они успевают проявиться лишь в очень малых объемах.