DIFÚZE C VE SVAROVÉM SPOJI Fe-0,3C-5%Mn/Fe-0,3C-15Mn. DIFFUSION OF C AND Mn IN STEEL WELDMENT Fe-0.3C-5%Mn/Fe-0.3C-15Mn

Transkript

1 DIFÚZE VE SVAROVÉM SPOJI Fe-0,3-5%/Fe-0,3-15 DIFFUSION OF AND IN STEEL WELDMENT Fe-0.3-5%/Fe Lubomír Král Bořivoj Million Jiří Čermák Ústav fyziky materiálů AVČR, Žižkova 22, Brno, ČR, Abstrakt Příspěvek obsahuje výsledky měření difúze a ve svarových spojích slitin Fe-0,3%- 5% / Fe-0,3%-15%. Slitiny byly odlity v laboratorní indukční peci v ochranné atmosféře Ar. Ingoty byly vykovány do tvaru tyčí kruhového průřezu o průměru cca 15mm a homogenizačně žíhány. Po tepelném zpracování byly obrobeny na průměr 12mm a rozřezány na tloušťku 4mm. Vzorky byly metalograficky leštěny a svařeny elektrickým šokem. Difúzní páry byly ve vakuu zataveny do křemenných ampulí společně s titanovými třískami. Byly žíhány při teplotách po dobu 1,5-96h. Měření redistribuce uhlíku bylo provedeno pomocí úsečkové vlnově disperzní mikroanalýzy na rastrovacím mikroskopu Philips SEM- 505 s analyzátorem Microspec WDX-2A ve směru kolmém na svarové rozhraní. Byly stanoveny difúzní koeficienty uhlíku a manganu a objasněny vztahy mezi nimi. Abstract In this paper, the results of measurements of chemical diffusion of and in weldments of alloys Fe-0,3%-5% / Fe-0,3%-15% are reported. Alloys were cast in induction furnace under protective Ar atmosphere. They were hot-forged to rods of diameter 15mm and cut into pieces of 4mm thickness. These cylindrical samples were metalographical polished. Diffusion couples, welded by electrical impulse, were sealed together with Ti-chips, into evacuated silica ampoules. After that, they were annealed at for hours respectively. Measurement of redistribution was done in a normal direction to welding interface using electron-scanning microscope Philips SEM-505WDS equipped with Microspec WDX-2A. Diffusion coefficients of and were obtained and the relations between them were found. 1. ÚVOD V systémech Fe--, kde prvek je prvek intersticiální a prvek substituční, je velmi významný rozdíl mezi rychlostí difúze intersticiálního a substitučního prvku. Uhlík díky své vysoké pohyblivosti se řádově rychleji přizpůsobuje změnám koncentrace substitučního prvku. V závislosti na jejich vzájemné interakci může docházet k up-hill difúzi uhlíku, tedy k difúzi proti koncentračnímu spádu. ílem tohoto příspěvku je v difúzní dvojici typu austenit/austenit po izotermickém žíhání v rozmezí teplot určit difúzní a termodynamické charakteristiky uhlíku. 2. EXPERIMENT Výchozí materiály pro zkoumané vzorky byly získány roztavením vsázky složené z grafitu, železa a manganu v indukční peci značky Balzers VSG 02 v ochranné atmosféře Ar. Slitiny byly označeny jako M1 a M2. Slitina M1 obsahuje 0,31% a 5,01% a slitina M2 obsahuje 0,34% a 15,04% [hm.%]. Ingoty byly překovány a pak homogenizačně žíhány v křemenných trubicích s Ti třískami při 1050 po dobu 5 hodin, ochlazeny na vzduchu. Toto zpracování bylo zvoleno z důvodu 1

2 snížení heterogenity struktury. Po homogenizačním žíhání byly ingoty osoustruženy z průměru 15mm na konečný průměr 12mm. Z ingotů byly vyrobeny vzorky o průměru 12mm a tloušťce 4mm. Jejich základny byly metalograficky vybroušeny, vyleštěny a před svařením odprášeny v doutnavém výboji. Difúzní páry M1/M2 byly vytvořeny svařením elektrickým šokem v ochranné Ar atmosféře. Vzniklé difúzní páry byly zataveny do evakuovaných křemenných ampulí společně s Ti třískami a žíhány v rozsahu teplot odstupňovaných po 50. Doba ohřevu byla volena v rozmezí 1,5-96h (viz. tab.1). Stabilita teplotního pole byla ± 1,5. Po difúzním žíhání byly vzorky rozříznuty na elektrojiskrové řezačce kolmo k rovině svarového rozhraní. Rozříznuté povrchy byly metalograficky vybroušeny a vyleštěny (3 µm a 1µm diam. pasty). 2.1 Experimentální metody hemická analýza uhlíku a manganu byla provedena na rastrovacím mikroskopu Philips SEM 505 s vlnově dispersním analyzátorem Microspec WDX 2A. Pomocí WDS analýzy byla měřena změna koncentrace sledovaných prvků v závislosti na vzdálenosti od svarového rozhraní. Koncentrační profil byl měřen na úsečkách rovnoběžných se svarovým rozhraním. Protože svarové rozhraní nebylo v REM zřetelné, bylo nutné ho označit v naleptaném stavu dvěma malými vpichy. Jako leptadlo byl použit Nital. Po označení byly vzorky přeleštěny a před WDS analýzou oprášeny doutnavým výbojem. Označení svarového rozhraní je důležité pro nastavení SEM tak, aby měřené úsečky byly rovnoběžné s rozhraním. Délka měřených úseček byla přibližně 350 µm. Na obr. 1 je zobrazeno svarové rozhraní se stopami po chemické analýze a Obr. 1. Svarové rozhraní difúzní jeho označení dvěma vpichy. dvojice se stopami po chemické Rozsah měření pro uhlík byl 2000 µm na každou analýze. stranu od svarového rozhraní se vzdáleností měřených Fig. 1. Weldment interface of úseček 20µm a dobou přeběhu 16s. Urychlující napětí diffusion couple with marks after elektronového svazku bylo 15kV a byly detekovány chemical analyse. spektrální K α čáry. Pro kvantitativní zpracování měřených intenzit RTG záření uhlíku bylo použito standardů o obsahu uhlíku 0,06-0,45-0,88-1,28-4,18 %. 2.2 Řešení difúze v systému Fe-- K popisu problému difúze v systému Fe-- bylo využito principů termodynamiky nevratných procesů [1]. Problém difúze v ocelích je možné řešit pomocí obecného modelu [2], nebo pomocí kvazistacionárního či stacionárního modelu (SM) [3,4]. SM byl odvozen při přijetí některých zjednodušujících předpokladů. Bylo předpokládáno, že substituční atomy nedifundují a je zanedbána vzájemná interakce uhlíku ( =0 ) s ohledem na interakci -j, kde j je substituční prvek. Kromě toho se předpokládá, že molární objem Fe--j tuhého roztoku je nezávislý na koncentraci, a že nevzniká Kirkendalův efekt v difúzní dvojici. SM umožňuje jednoduché praktické aplikace, zejména stanovení difúzních a termodynamických dat z experimentálních měření. Vztahy vhodné pro prokládání dat metodu nejmenších čtverců byly odvozeny v [5]. Byl využity pro řešení difúze v této práci. Koncentrace difundujícího intersticiálního uhlíku je popsána vztahy uvedenými v [6] vycházející ze SM. Při respektování zákona o zachování hmotnosti uhlíku, [ N N 0) ] D = [ N N ] D ( (1) a rovnosti termodynamických aktivit (podle Wagnera[7]) na rozhraní, 2

3 N exp( Nε ) = N exp( Nε ) (2) je možné metodou nejmenších čtverců vypočítat z rovnic hodnoty difúzních koeficientů uhlíku a interakčních parametrů ε ve svarových spojích typu austenit/austenit. Příklad redistribuční křivky difúzní dvojici M1/M2 je zobrazen na obr Vyhodnocení termodynamických a difúzních charakteristik Výsledné hodnoty koeficientů difúze a termodynamických interakčních koeficientů uhlíku jsou uvedeny v tab. 1. Teplotní závislost koeficientů difúze uhlíku je vynesena na obr. 3 a splňuje Arrheniovu závislost pro slitinu M1 158,6 D = 1,17exp [cm 2.s -1, kj.mol -1 ] (4) pro slitinu M2 162,3 D = 0,081. exp [cm 2.s -1, kj.mol -1 ]. (5) V práci [6,8] již byly vyhodnoceny difúzní koeficienty D a D pro slitinu M2 v difúzní dvojici s bezmanganovou uhlíkovou ocelí. S využitím těchto dat získáme celkový vztah pro slitinu M2: D M 2 130,7 = 0,0067.exp [cm 2.s -1, kj.mol -1 ]. (6) Tabulka 1. Table 1. Koeficienty difúze a koncentrací na rozhraní a termodynamické interakční koeficienty ε. Diffusion coefficients and concentrations of and on the interface and thermodynamics coefficients ε. Vzorek T[K] N 10-8 D t[h] N [cm 2 s -1 ] M ,5 M M M M M M ,58 ±0,08 1,38 ±0,07 1,75 ±0,12 1,93 ±0,10 1,95 ±0,18 2,05 ±0,11 1,70 208,7 ±192,8 28,4 ±41,3 81,3 ±104,8 10,3 ±5,1 8,60 ±6,56 2,97 ±1,43 4, D [cm 2 s -1 ] 96 ±0,11 ±4,56 ±0,02 Termodynamický interakční koeficient byl vypočítán ze vztahu (2) upraveného na tvar 9,72 ±4,09 1,29 ±0,82 1,04 ±0,37 0,71 ±0,17 4,22 ±2,71 0,14 ±0,04 0,06 N N ε [at.zl. -1 ] [hm.%] [hm.%] 0,287 0,448-4,58 0,295 0,409-4,77 0,291 0,509-4,96 0,265 0,512-5,17 0,232 0,452-5,40 0,266 0,545-5,65 0,292 0,496-5,92 3

4 [ N N ] N ln = ε, (7) N / do kterého byly dosazeny hodnoty chemických koncentrací N a výchozích koncentrací. elková teplotní závislost termodynamického interakčního koeficientu ε (obr. 4) společně s termodynamickými interakčními koeficienty uvedenými v [6] má tvar ε = 0,196. (8) T at. zl. Obr. 2. Redistribuční křivka uhlíku po žíhání 850 /48h. Fig. 2. Redistribution curve of carbon after diffusion anneal 850 /48h. Obr. 3. Teplotní závislost koeficientu difúze uhlíku ve slitinách M1 a M2. Fig.3. Temperature dependence diffusion coefficient of carbon in alloys M1 and M2. Obr.4. Teplotní závislost termodynamckého interakčního koeficientu ε Fig. 4. Temperature dependence of thermodynamics interaction coefficient ε Obr. 5. Teplotní závislost koeficientu difúze uhlíku ve slitinách 1,2 a 3(1,12,19% ; 0,4% [hm.%]) [9]. Fig.3. Temperature dependence diffusion coefficient of carbon in alloys 1,2 and 3(1,12,19% ; 0,4% [wt.%]) [9]. 4

5 3. DISKUSE A ZÁVĚRY V práci byly vyhodnoceny difúzní a termodynamické charakteristiky v difúzní dvojici M1/M2. Teplotní závislosti difúzních koeficientů uhlíku slitin M1/M2 splňují Arrheniovu závislost (obr.3). Pro získání celkové závislosti difúzního koeficientu byly využity data z této práce a data z práce [6]. Získaná závislost je zobrazena čárkovanou čarou a difúzní koeficient M 2 označen jako D. Hodnoty difúzních koeficientů slitiny M2 se se zvyšující teplotu přibližují. Z vyhodnocených dat vyplývá, že přibližně nad teplotou 1400K je jejich hodnota stejná. Z literárních dat uvedených v práci [9](obr.5) je zřejmá mírná závislost koeficientu difúze na koncentraci. Při teplotě přibližně 1400K jsou již hodnoty difúzních koeficientů velmi blízké. Nad touto teplotou můžeme považovat hodnoty D za nezávislé na koncentraci (v rozsahu 1-15 hm.%). Výsledky této práce to však nepotvrzují. Vzhledem k malým rozdílům v koncentracích manganu nedochází k tak výrazným koncentračním rozdílům uhlíku na rozhraní. Tyto koncentrační změny není WDS analýza schopna přesně zachytit. Tento jev má za následek relativně velké chyby ve vyhodnocených difúzních koeficientech D. Hodnoty difúzních koeficientů můžeme proto považovat za přibližně shodné s hodnotami uvedenými v práci [9]. Pro získání přesnější hodnoty termodynamických interakčních koeficientů byly pro vyhodnocení jejich tepelné závislosti použity již dříve změřené hodnoty. Výsledné hodnoty difúzních a termodynamických charakteristik jsou uvedeny v tab.1. Mohou být použity pro posouzení strukturních změn a difúzních a termodynamických jevů ve slitinách Fe--. Poděkování Tato práce byla řešena v rámci projektu GA AV reg. č. S LITERATURA [1] Adda, Y., Philibert, J. La diffusion dans les solides. Paris : INSTN Saclay PUF, [2] Kučera, J., Million, B., Stránský, K., aj. arbon redistribution in austenitic steel weldments. III. General solution. zech J. Phys., 1986, roč. B36, č.10, s [3] Kučera, J., Kozák, V., Million, B., aj. Stationary and quasistationary models of carbon redistribution in austenitic steel weldments. II. Polycomponent systems. zech. J. Phys., 1986, roč. B36, č.4, s [4] Kučera, J., Million, B., Stránský K. Stationary and quasistationary models of carbon redistribution in austenitic steel weldments. I. Ternary systems. zech. J. Phys., 1985, roč. B35, č.12, s [5] Million, B., B, Bacílek, K., Kučera, J., aj. arbon diffusion and thermodynamic characteristics in chromium steels. Z. Metallkunde, 1995, roč. 86, č.10, s [6] Král, L., Million, B., Čermák, J. Difúze a ve svarovém spoji Fe-0,3/Fe-0,3-15. In Metal 2005: 14. mez. konf. metalurgie a materiálů: , Hradec nad Moravicí, Česká republika [D-ROM]. Ostrava: Tanger: květen, 2005, s.58. ISBN [7] Wagner,. Thermodynamics of Alloys. Addison Wesley Publ. s, Reading, [8] Král, L., Čermák, J., Million, B. Diffusion of in steel weldments of 0-15%. Juniormat '05, Brno, Česká republika, Brno: VUT-FSI, 2005, , ISBN [9] Kučera, J., Stránský, K. Závislost koeficientu difúze uhlíku v austenitických ternárních slitinách na koncentraci aditivních prvků. Kovové materiály, 2004, roč. 42, č. 1,