PŘEROZDĚLENÍ UHLÍKU A MANGANU VE SVAROVÝCH SPOJÍCH MANGANOVÝCH OCELÍ THE REDISTRIBUTION OF CARBON AND MANGANESE IN STEEL WELDMENTS OF MANGANESE STEELS

Transkript

1 PŘEROZDĚLENÍ UHLÍKU A MANGANU VE SVAROVÝH SPOJÍH MANGANOVÝH OELÍ THE REDISTRIBUTION OF ARBON AND MANGANESE IN STEEL WELDMENTS OF MANGANESE STEELS Lubomír Král a Bronislav Zlámal b Bořivo Million a a Ústav fyziky materiálů AVČR, Žižkova 22, Brno, ČR, lkral@ipm.cz b Vysoké učení technické v Brně, Technická 2, , ČR, zlbr@ .cz Abstrakt V příspěvku sou diskutovány výsledky měření difúze a v austenitu [1] difúzních dvoic ocelí o obsahu manganu v rozsahu 0-15 hm.%. 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 a manganu 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 vyhodnoceny difúzní koeficienty manganu a uhlíku, interakční termodynamické koeficienty ε a difúzní interakční koeficienty β v austenitu. Pro vyhodnocení těchto difúzních a termodynamických charakteristik bylo využito stacionárního modelu (SM) [2]. Vzáemný poměr n= β nesplňue podmínku kvazistacionárního modelu (QSM) [3] n = 2 pro řešení difúze v těchto difúzních dvoicích. V příspěvku sou porovnány výsledky redistribuce uhlíku pro n = 2 a n = 2,8-3,7 [1] pro uvedené difúzní dvoice. Část práce e také věnována podrobněšímu popisu strukturních změn na rozhraní difúzních dvoic 0,28-0,04/0,31-5,01 a 0,28-0,04/0,34-15,04 (hm.%). Abstract In this paper, the results of diffusion and measurements [1] in diffusion couples in steels with content of manganese in range 0-15 wt.% are discussed. The diffusion couples were sealed together with Ti-chips into evacuated silica ampoules. They were annealed at for hours respectively. Measurement of and redistribution was done in a normal direction to welding interface using electron-scanning microscope Philips SEM-505WDS equipped with Microspec WDX-2A. The diffusion of manganese and carbon, interaction thermodynamics coefficients ε and diffusion interaction coefficients β in austenite were evaluated. These diffusion and thermodynamics characteristics were evaluated by using stationary model (SM) [2]. The ratio n= β does not agree with condition of quasistationary model (QSM) [3] n=2 for solution of diffusion in these diffusion couples. In the paper, the results of carbon redistribution for n 2 a n 2,8-3,7 [1] for diffusion couples shown above are confronted each other. The part of this paper attend to more detailed description of structure changes on weldments interface in diffusion couples / a / (wt.%). 1

2 1. ÚVOD Mangan společně s uhlíkem sou základními prvky ocelí. Mangan snižue termodynamickou aktivitu uhlíku a eho redistribuce ovlivňue redistribuci uhlíku. Tento ev má za následek up-hill difúzi uhlíku. Vliv koncentrace manganu na termodynamickou aktivitu uhlíku a e možné vyádřit pomocí Wagnerova termodynamického koeficientu prvního řádu ε, příp. koeficienty vyšších řádů [4]. Mangan ovlivňue i difuzivitu uhlíku. Vliv koncentrace manganu na difúzi uhlíku e možné popsat pomocí difúzního interakčního koeficientu β [2]. Publikované hodnoty termodynamických i difúzních koeficientůβ, ε [5, 6, 7, 8] však obecně vykazuí velké rozptyly (=substituční prvek). Ty mohou být způsobeny použitými experimentálními metodami či vyhodnocením těchto interakčních koeficientů v polykomponentních materiálech. Obecně e předpokládáno, že poměr β 2 [5]. Tohoto předpokladu využívá tzv. kvazistacionární model [3]. V nedávné době byla vypracována práce založená na stacionárním modelu, která tento předpoklad pro systém Fe-- nepotvrzue [1]. V této práci byly zkoumány difúzní dvoice, M2 a M2. hemické složení těchto slitin e uvedeno v tab. 1. Byly vypočítány difúzní koeficienty uhlíku i manganu, termodynamické a difúzní koeficienty interakční koeficienty ε, β v austenitu v rozsahu teplot Tento příspěvek navazue na tuto publikovanou práci. Jeho cílem e porovnat výsledky redistribuce uhlíku na iž zkoušených difúzních dvoicích s řešením za podmínky kvazistacionárního modelu β = 2. V příspěvku sou také podrobněi diskutovány strukturní změny na rozhraní difúzních dvoic a M2 po difúzním ohřevu 800 /96h. 2. STAIONÁRNÍ A KVAZISTAIONÁRNÍ MODEL Pro řešení difúze uhlíku v austenitu v systémech Fe-- (=substituční prvek) bylo vypracováno více modelů [2, 3, 9]. Pro prokládání výsledků měření redistribuce prvků v systémech Fe-- e velmi dobře použitelný stacionární model [2]. Vzhledem k tomu, že redistribuce substitučních prvků na rozhraní svarového spoe e řádově nižší než redistribuce uhlíku, tento model předpokládá, že atomy substitučních prvku nedifunduí. Pro splnění této Tabluka 1 hemické složení experimentálních slitin. Slitina [hm.%] [hm.%] M Table 1 hemical composition of experimental alloys. x= 6 podmínky e nutné, aby měřené hodnoty koncentrací uhlíku ležely mimo interval x= 6 td (kde D e difúzní koeficient substitučního prvku). Pomocí rovnic stacionárního modelu e možné vypočítat difúzní koeficienty na edné i druhé straně difúzní dvoice a koncentrace na rozhraní svarového spoe. Pro difúzní dvoice, kde sou měřené hodnoty koncentrací uhlíku mimo interval td, e SM velmi přesné řešení redistribuce uhlíku. Kvazistacionární model [2, 3] popisue redistribuci uhlíku i v úzkém intervalu svarového rozhraní. Zatímco stacionární model byl odvozen exaktně, QSM e pouze přibližný a byl navržen pro potřeby inženýrské praxe. Jedním z předpokladů pro použití kvazistacionárního modelu e hodnota poměru difúzního a termodynamického interakčního koeficientu n, kde β n= = 2. (1) ε 2

3 V systému Fe-- však tento vzáemný poměr (1) e vyšší než hodnota 2. Hodnoty difúzních a termodynamických interakčních koeficientů ε, β a eich vzáemné poměry n pro teploty sou vedeny v tab. 2. Hodnoty těchto difúzích a interakčních koeficientů byly vypočítány ze vztahů [1] 9980± 4190 ε = (2.53± 3.4) [at.zl -1, K], T (2) 8793± 5196 β = ( 11.0± 41.8) [at.zl -1, K]. T (3) Tabulka 2 Vztah mezi difúzními a termodynamickými interakčními koeficienty [1]. Vzáemný poměr difúzních a T[ ]/t[h] β interakčních koeficientů n= β v [at.zl -1 ] ε [at.zl -1 ] β n= ε austenitu leží v rozmezí 2,8-3,7 pro teploty Z uvedeného 1100/1,5-17,4-4,7 3,7 vyplývá, že pro systém Fe-- není 1050/3-17,7-5,0 3,5 vhodné použít kvazistacionární model. 1000/6-17,9-5,3 3,4 Pro porovnání výsledků řešení 950/12-18,2-5,6 3,2 difúze při n = 2 a vyhodnocených n 900/24-18,5-6,0 3,1 (tab. 2) e možné využít podle [2] 850/48-18,9-6,4 3,0 vztahu pro koncentraci uhlíku na 800/96-19,2-6,8 2,8 rozhraní difúzní dvoice N(0) Table 2 Relation between diffusion and thermodynamics interaction coefficients [1]. N o Pro levou stranu difúzní dvoice (x<0) ( N D + N D ) + + ( γ D + γ D ) ( 0) = γ, (4) o Pro pravou stranu difúzní dvoice(x>0) + N (0)γ N ( 0) =, (5) + γ koncentrační závislosti difúzního interakčního koeficientu +, γfe +, D = D exp( β N ) (6) a koncentrační závislosti termodynamického interakčního koeficientu +, +, γ = expε N, (7) ( ) +, Fe kde N, e koncentrace v neovlivněné části svarového spoe a D γ e difúzní koeficient uhlíku v austenitu v systému Fe-. V této práci levá strana difúzní dvoice (ozn. - ) má nižší koncentraci manganu než eí pravá strana (ozn. + ). Z rovnic (4-7) byly vypočítány difúzní koeficienty uhlíku a koncentrace uhlíku na rozhraní pomocí hodnot z tab. 1 a 2. Steným způsobem byly vypočítány hodnoty difúzních koeficientů a koncentrací uhlíku pro případ n = 2, kde difúzní interakční koeficient β byl vypočítán ze vztahu β = 2ε. (8) Hodnoty ε byly dosazeny z tab. 2. Pomocí rovnic SM popisuící průběh koncentrace uhlíku [2] byly vypočítány koncentrační profily uhlíku pro n= β a n = 2. Tyto profily byly také porovnány s iž publikovanými výsledky [1] (obr.1a-f). Z proložených koncentrací uhlíku e zřemé, že redistribuční křivky pro n = 2 popisuí redstribuci uhlíku neméně 3

4 přesně. Tento ev e nevíce patrný ve slitinách obsahuích větší koncentraci manganu (,M2). Při vyšším obsahu manganu pro n = 2 maí redistribuční křivky nedelší difúzní vzdálenost a nevíce se odchlyluí od křivek vypočítáných pomocí SM [1]. Křivky vypočítáné pomocí hodnot z tab. 2 se ve slitinách o vyšší koncentraci manganu lépe přibližuí křivkám SM než v případě n = 2. Nemenší rozdíly mezi proloženými křivkami sou v difúzních dvoicích (obr 2c,d). V těchto difúzních dvoicích došlo k nemenšímu koncetnračnímu skoku na rozhraní difúzní dvoice. Pro tyto typy difúzních dvoic e možné použít pro popis koncentrace uhlíku i výpočet za podmínky n = 2. M2 M2 a) b) c) d) M2 M2 e) f) n (tab. 2), n=2, SM [1]. Obr.1 Proložení naměřených koncentrací uhlíku pro uvedené difúzní dvoice po tepelném zpracování 1100 /1,5h (a,c,e) a 850 /48h (b,d,f). Fig.1 The fit of measurement concentration of carbon for shown diffusion couples after temperature treatment 1100 /1,5h (a,c,e) and 850 /48h (b,d,f). V případě vyššího obsahu manganu na edné straně difúzní dvoice (obr. 1a,b) či v případě difúzní dvoice manganových ocelí (obr. 1e,f) e vhodněší využít pro přibližný popis hodnot 4

5 z tab. 2. Z tohoto zištění také vyplývá, že pro tyto difúzní dvoice není QSM vhodný. V případě znalosti pouze termodynamických interakčních koeficientů ε e možné pro odhad redistribuce uhlíku využít předpokladu n = STRUKTURNÍ ZMĚNY NA ROZHRANÍ SVAROVÝH DVOJI Na rozhraní difúzních dvoic došlo u difúzních dvoic a M2 po difúzním žíhání 800 /96h k výrazné změně struktury [1]. Po difúzním ohřevu vznikla na svarovém rozhraní a) b) Obr. 2a,b Příklad redistribuce uhlíku a strukturních změn v difúzní dvoici po difúzním žíhání 800 /96h [1]. Fig. 2a,b The example of carbon redistribution and structure changes in diffusion couple after diffusion anealling 800 /96h [1]. feritická oblast (obr. 2a,b). Z fázových diagramů (obr. 3a,b) e zřemé, že se při teplotě 800 slitina nachází ve dvoufázové oblasti α+γ. Fázové diagramy byly vypočítány pomocí programu Thermocalc. Difúzní cesta uhlíku difúzních dvoic a M2 e znázorněna na obr. 3a,b. Uhlík difundue ze slitiny do slitiny, M2. Koncentrace uhlíku ve feritické oblasti klesne na cca 0,01hm.%. Feritická oblast roste vlivem redistribuce uhlíku do druhé poloviny difúzní dvoice. Při přerozdělení uhlíku se eho koncentrace v těsné blízkosti svarového rozhraní z 0,01 hm.% zvyšue na hodnoty 0,42hm.% pro slitinu a 0,63hm.% pro slitinu M2 (obr.2b,3a-b). Po ochlazení dode k transformaci této oblasti na feriticko - perlitickou strukturu bezprostřední blízkosti svarového rozhraní (obr. 2a). Obr. 3 Schematické znázornění difúzní cesty pro difúzní dvoice M2 a pro teplotu 800. Fig. 3 The schemaic diagram of diffusion path for diffusion couples M2 a for temperature

6 4. ZÁVĚR V práci byly porovnány redistribuční křivky uhlíku vypočítané pomocí termodynamických a difúzních interakčních koeficientů ε, β (tab.2) a za podmínky n = 2 (QSM), kdy β = 2ε [3]. Se vzrůstaícím obsahem manganu se redistribuční křivky vypočítáné pomocí podmínky n = 2 více odchyluí od vypočítaného koncentračního průběhu pomocí SM. Pro výpočty redistribučních křivek uhlíku difúzních dvoic různých manganových ocelí e proto vhodné využít hodnoty z tab.2 [1]. Tyto závěry platí pro případ difúze mezi difúzními dvoicemi typu austenit/austenit. Při teplotě 800 dochází k velmi výrazné změně struktury na rozhraní difúzní dvoice a M2. Ve slitině dochází ke vzniku feritické oblasti. Tyto změny e možné vysvětlit pomocí difúzní cesty zakreslené do fázového diagramu Fe-- pro 800. Při teplotě 800 se struktura slitiny nachází ve dvoufázové oblasti α+γ. V průběhu difúze uhlíku dode k vytvoření feritické oblasti na rozhraní svarového spoe v blízkém okolí svarového spoe. Po ochlazení se tato oblast přemění v blízkosti svarového spoe na feritickoperlitickou strukturu. [1] Král, L., Million, B., Čermák, J. Diffusion of arbon and Manganese in Fe--. Defect Diffus Forum, 2007, roč. 2007, č.263, s [2] 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 [3] Stránský, K. Nová fenomenologie redistribuce intersticiálních prvků ve svarech ocelí. In Fyzikálně metalurgické aspekty technických materiálů. Ostrava: Kovosil, [4] Wagner,. Thermodynamics of Alloys. ambridge: Addison Wesley Publ. s, Reading, [5] Kučera, J., Stránský, K. Koncentrační závislost koeficientu difúze uhlíku v legovaném austenitu. Kovové materiály, 1992, roč. 30, č. 2, s [6] Kučera, J., Stránský, K. Závislost koeficientu difuze uhlíku v austenitických ternárních slitinách na koncetntraci aditivních prvků. Kovové materiály, 2004, 42, 1, [7] Tůma, H., iznerová, M. Vliv manganu na aktivitu ulhíku v systému Fe--. Kovovoé materiály, 1973, 11, 5, [8] Kučera, J., Stránský, K., Doiva, J. Diffusion interaction coefficients and thermodynamic interaction coefficients of carbon in alloyed austenitic steels. Mat.science and engeneering, 1990, A125, 1, [9] Kučera, J., Million, B., Stránský, K., Růžičková, J. arbon redistribution in austenitic steel weldments. III. General solution. zech. J. Phys., 1986, roč. B36, č. 10, s