REDISTRIBUCE HLINÍKU A UHLÍKU VE SVARECH OCELÍ V INTERVALU TEPLOT o C (1,15 hm.% Al)

REDISTRIBUCE HLINÍKU A UHLÍKU VE SVARECH OCELÍ V INTERVALU TEPLOT 500-1100 o C (1,15 hm.% Al) Karel Stránský a) Bořivoj Million b) Rudolf Foret a) Petr Michalička b) Antonín Rek c) a) VUT FSI ÚMI Brno, Technická 2, 616 69 Brno, ČR, e-mail: karstr@pime.fme.vutbr.cz b) ÚFM AV ČR Brno, Žižkova 22, 606 62 Brno, ČR, e-mail: million@ipm.cz c) VTÚO Brno, P. O. BOX 547, 602 00 Brno, ČR, e-mail:rek@vtuo.cz Abstrakt Příspěvek navazuje na práci v níž byl studován vliv 0,49 hm.% Al. V příspěvku jsou uvedeny původní výsledky měření redistribuce hliníku, chrómu, železa, niklu a uhlíku ve svarových spojích nelegované oceli typu 12050 s podstatně zvýšenou koncentrací hliníku a vysokolegované austenitické CrNi oceli 17242. Chemické složení ocelí bylo následující [hm.%]: a) ocel 12050+Al: 0,44 C, 1,15 Al, 0,69 Mn, 0,33 Si, 0,011 P, 0,027 S, 0,05 Cr a 0,04 Ni; b) ocel 17242: 0,17 C, 0,010 Al, 1,13 Mn, 0,44 Si, 0,015 P, 0.006, 18,93 Cr a 8,75 Ni. Nelegovaná ocel 12050+Al byla laboratorně odlita a vykována do tvaru tyče kruhového průřezu, austenitická ocel rovněž ve tvaru tyče pocházela z komerční dodávky. Válcové vzorky o průměru 12 mm a výšce 4 mm byly připraveny jako metalografické výbrusy na způsob sendvičových párů a poté svařeny elektrickým šokem. Izotermické žíhání sendvičů probíhalo při teplotách 500 až 1100 o C (po 50 o C) a časem prodlev 1050 až 1,5 hodin. Měření difúzních penetračních křivek C, Al, Cr a Ni bylo provedeno na analytickém komplexu JEOL JXA 8600/KEVEX v příčném řezu svarového rozhraní každého ze vzorků. Byly stanoveny difuzní koeficienty C, Al, Cr,Fe a Ni a objasněny vztahy mezi nimi. Abstract On the redistribution of aluminium and carbon in the weld joints of steels in the temperature range 500-1100 o C (1,15 wt.% Al). The presented paper tie up the article in which was studied the concentration of 0,49-wt. % Al. In this paper an original results of aluminium, chromium, iron, nickel and carbon redistribution in welded joints of unalloyed 12050+1,15Al steel and high alloy austenitic chromium-nickel steel are presented. The unalloyed steels in an as-cast state and a forged one were welded with the roll forming high alloy steel. The concentrations of a welded steels were as follow: a) 12050+Al steel: 0.44 wt.% C, 1.15 wt.% Al, 0.69 wt.% Mn, 0.33 wt.% Si, 0.011 wt.% P, 0.027 wt.% S, 0.05 wt.% Cr and 0.04 wt.% Ni; b) 17242 steel: 0.17 wt.% C, 0.010 wt.% Al, 1.13 wt.% Mn, 0.44 wt.% Si, 0.015 wt.% P, 0.006 wt.% S, 18.93 wt.% Cr and 8.75 wt.% Ni. Cylindrical samples of these steels of the 12-mm diameter and 4-mm thickness were prepared at first as metallographical specimens and then were welded by means of an electrical impulse. Then the isothermal annealing 500-1100 o C (with the steps 50 o C) and 1050 1.5 hours of weld joints was applied. A measuring of the C, Al, Cr, and Ni concentrations were realised by means of an analytical complex JEOL JXA 8600/KEVEX on cross section of the metallographical specimens. The diffusion coefficients of carbon, aluminium, chromium and nickel were established and the relation among diffusion coefficient of carbon, aluminium, chromium, irons and nickel diffusion coefficients were discussed. 1

1. ÚVOD Příspěvek navazuje na práci v níž byla studována difúze hliníku, uhlíku, chrómu, železa a niklu ve svarových spojích nelegované oceli 12050 se zvýšeným obsahem 0,49 hm.% Al a vysokolegované austenitické CrNi oceli 17242 [1]. Měřením bylo kromě jiného zjištěno, že hliník difunduje v tomto spoji v intervalu teplot 500 až 1100 o C v průměru 2,6 krát rychleji, než zbývající substituční měřené prvky chróm, železo a nikl. Uhlík difunduje v tomtéž typu svarového spoje způsobem up-hill difuze z nelegované oceli s obsahem 0,49 hm.% Al do austenitické oceli 17242 v níž se jeho koncentrace na rozhraní spoje výrazně zvyšuje. V této práci jsou uvedeny původní výsledky měření redistribuce hliníku, chrómu, železa, niklu a uhlíku ve svarových spojích obdobného typu, tj. nelegované oceli 12050, avšak s podstatně zvýšeným obsahem hliníku 1,15 hm.% Al, a vysokolegované austenitické CrNi oceli 17242. Základním cílem této práce bylo získat původní difuzní data a posoudit vliv zvýšeného obsahu hliníku na průběh redistribuce měřených prvků. 2. PŘÍPRAVA VZORKŮ A METODIKA MĚŘENÍ Obě navzájem svařené oceli, tj. ocel 12050 i ocel 17242, pocházely z běžných komerčních dodávek. Nelegovaná ocel 12050 byla přetavena ve vakuové laboratorní peci, obohacena hliníkem a po odlití překována. Austenitická, korozivzdorná chróm-niklová ocel 17242 byla použita v komerčně dodaném stavu. Chemické složení obou ocelí stanovené emisní kvantometrickou analýzou je uvedeno v tabulce 1. Tabulka 1. Chemické složení ocelí svarového spoje [hm.%] Ocel C Mn Si P S Cr Ni Mo Al 17242 0,17 1,13 0,44 0,015 0,006 18,93 8,75 0,02 0,011 12050+Al 0,44 0,69 0,33 0,011 0,027 0,05 0,04 0,04 1,15 Válcové vzorky o průměru 12 mm a tloušťce 4 mm, vyrobené z uvedených ocelí, byly na jedné z čelních ploch připraveny jako metalografické výbrusy a poté svařeny elektrickým šokem ve zvláštním přípravku v ochranné atmosféře argonu. Poté byly svařené difuzní páry vzorků izotermicky žíhány v evakuovaných křemenných ampulích s titanovými třískami při teplotách v rozmezí 500 o C až 1100 o C s odstupňováním po 50 o C. Doba žíhání svarových párů byla odstupňována 1050 h až po 1,5 h v obráceném poměru k teplotě žíhání. Po ukončeném žíhání byly vzorky vyjmuty z ampulí, v ose na diamantové pile rozříznuty, jedna polovina byla určena k strukturní analýze a druhá polovina k analýze koncentračního přerozdělení prvků v okolí svarového spoje. K měření koncentrace prvků byla použita metoda vlnově disperzní rentgenové spektrální mikroanalýzy a analytický komplex JEOL JXA 8600/KEVEX Delta-V. Pracovalo se s urychlovacím napětím elektronového paprsku 15 kv, s dobou expozice 10 s (tj. s dobou načítání impulsů rentgenového záření charakteristických spektrálních čar Kα pro všechny čtyři analyzované prvky Al, Cr, Fe a Ni). Vlastní měření redistribuce Al, Cr, Fe a Ni bylo provedeno bodovou analýzou na metalografických výbrusech zhotovených ve směru napříč přes svarové rozhraní s krokem 1 µm. Ke kvantitativnímu zpracování změřených intenzit rentgenového záření jednotlivých analyzovaných prvků bylo použito jako standardů čistých kovů a byl aplikován systém korekcí ZAF, zahrnující korekce na atomové číslo (Z), absorpci (A) a fluorescenční zesílení (F). Koncentrace uhlíku byla kvantitativně stanovena úsečkovou, vlnově disperzní rentgenovou spektrální analýzou na tomtéž analytickém komplexu JEOL JXA-8600/KEVEX Delta-V. Jednotlivé úsečky podél nichž byla měřena koncentrace uhlíku byly paralelní se směrem svarového rozhraní a v pravidelných vzdálenostech orientovány kolmo na rozhraní obou ocelí 2

spoje. Urychlovací napětí el. paprsku činilo 15 kv, doba expozice 100 s a délka úseček byla 200 µm. Ke kvantitativnímu zpracování změřených intenzit rentgenového záření uhlíku CK byl použit standard Fe 3 C. 2.1 Proložení koncentračních křivek pro hliník, chrom, železo a nikl K proložení penetračních křivek změřených koncentrací prvků Al, Cr, Fe a Ni ve spojích bodovou analýzou byla pro x (-, ) aplikována rovnice N i (x,t) = N + - i + 0,5(N i - N + i )erfc{[x - δ]/[ (D i t)]}, (1) v níž N i jsou koncentrace hliníku, chrómu, železa a niklu [hm.%], přičemž N - i, N + i jsou výchozí koncentrace prvků (tj. koncentrace na koncích polonekonečných vzorků), x je vzdálenost od svarového rozhraní [cm], δ je parametr vyjadřující nepřesnost při nastavení svarového rozhraní při měření do polohy bodu x = 0 [cm], D i jsou difuzní koeficienty hliníku, železa, chrómu a niklu a t je čas [s]. Index (-) značí levou, index (+) pravou stranu svarového spoje, přičemž poloha ocelí ve svarech byla zvolena tak, aby nerezavějící austenitická ocel tvořila vždy pravou stranu svarových spojů. 2.2 Proložení koncentračních křivek pro uhlík Levá strana svarového spoje (-), nacházející v oceli 12050+Al, která je během žíhání daného typu spoje v celém rozsahu sledovaných teplot oduhličována, nebyla ve svarových spojích proměřena. Měření uhlíku, provedené úsečkovou analýzou, bylo orientováno pouze na stanovení rozložení koncentrace tohoto prvku v pravé straně (+) nauhličované oceli 17242. Cílem takto orientovaného měření bylo stanovit kvazirovnovážnou koncentraci uhlíku v austenitické oceli na rozhraní, a to co nejblíže k tomuto svarovému rozhraní a dále koeficient difúze uhlíku v austenitu. Pro pravou stranu svarového spoje (+) byla k proložení koncentračních křivek uhlíku použita rovnice + + N C (x,t) = N C + [N + C (0) - N + C ]erfc{x/[2 (D + C t)]}. (2) + V rovnici (2) je N C koncentrace uhlíku na konci polonekonečného vzorku, tj. pro x +, N + C (0) je kvazirovnovážná koncentrace uhlíku na rozhraní svarového spoje zprava, tj. pro x 0 a D + C je koeficient difúze uhlíku na pravé straně svarového spoje, tj. v austenitické oceli 17242, t je doba difúzního ohřevu a x vzdálenost. 3. VÝSLEDKY A JEJICH HODNOCENÍ Výsledky výpočtu difuzních a koncentračních dat ze změřených koncentračních křivek hliníku, chrómu, železa, niklu a uhlíku ve svarových spojích jsou uspořádány v tabulkách 2 až 4. Poznamenáváme, že kompletní výsledky měření a výpočtů parametrů jsou uspořádány v interní publikaci [2], uložené v archivech na ÚFM AV ČR v Brně a VUT-FSI-ÚMI-ONOM v Brně. V tabulce 2 jsou uvedeny koeficienty difuze Al, Cr, Fe, Ni a geometrický průměr koeficientů difuze Cr, Fe a Ni (D CrFeNi ), dále poměr koeficientu difuze hliníku k průměrné hodnotě koeficientů difuze Dr, Fe, Ni podle této práce (tj. pro obsah 1,15 hm.% Al) a tentýž poměr podle práce [1] pro obsah 0,49 hm.% Al. V tabulce 3 jsou uspořádány změřené hodnoty kvazirovnovážných koncentrací uhlíku v austenitu na rozhraní spoje N + C (0) a koeficientů difuze v austenitu korozivzdorné oceli D + C. V tabulce 4 jsou obsaženy výsledky termodynamického vyhodnocení redistribuce uhlíku v daném typu spojů. 3.1 Difuze hliníku, chromu, železa a niklu ve svarovém spoji Z hodnot difuzních koeficientů hliníku, chromu, železa a niklu změřených při jednotlivých teplotách a uspořádaných v tab. 2 plyne, že difuzní koeficienty hliníku se v měřeném intervalu 3

teplot nacházejí vesměs nad hodnotami koeficientů difuze chromu, železa a niklu. Aritmetický průměr poměrů difuzních koeficientů D Al /D CrFeNi vypočítaný pro zkoumaný typ svarového spoje v intervalu teplot 500-1100 o C, v němž ocel 12050 obsahuje 1,15 hm% Al, činí 4,23±3,78 a je zřetelně vyšší než hodnota téže veličiny za stejných podmínek pro svarový spoj v němž ocel 12050 obsahuje 0,49 hm.% Al [1]. Lze tedy říci, že hliník difunduje ve svarovém spoji tvořeném nelegovanou a austenitickou korozivzdornou ocelí v úhrnu rychleji než chrom, železo a nikl, přičemž se tato rychlost s růstem jeho obsahu v oceli 12050 zvyšuje. Tabulka 2. Koeficienty difuze Al, Cr, Fe a Ni ve svarovém spoji (12050+Al)/(17242) a jejich poměry vzhledem ke hliníku Teplota/čas [ o C]/[h] D Al D Cr D Fe D Ni D CrFeNi D Al /D CrFeNi hm.% Al 1,15 D Al /D CrFeNi hm.% Al 0,49 [1] 1100/1,5 5,50.10-11 2,56.10-11 2,24.10-11 8,11.10-12 1,67.10-11 3,29 2,93 1050/3 2.59.10-11 1,00.10-12 1,02.10-11 5,15.10-12 8,07.10-12 3,21 5,32 1000/5 1,80.10-11 1,57.10-12 1,69.10-12 1,24.10-12 1,49.10-12 12,1 4,55 950/8 3,57.10-12 1,27.10-12 1,49.10-12 5,99.10-13 1,03.10-12 3,47 2,90 900/18 3,93.10-12 4,43.10-13 3,54.10-13 5,03.10-13 4,29.10-13 9,16 5,46 850/18 2,11.10-12 2,78.10-13 2,39.10-13 1,37.10-12 4,50.10-13 4,69 0,56 800/26 1,13.10-12 1,05.10-13 1,00.10-13 1,31.10-13 1,11.10-13 10,2 1,23 750/32 1,78.10-13 7,17.10-14 7.50.10-14 4,98.10-13 1,39.10-13 1,28 4,03 700/56 2,76.10-13 1,58.10-13 1,60.10-13 4,45.10-13 2,24.10-13 1,23 1,81 650/114 1,79.10-13 4,23.10-14 6,12.10-14 2,10.10-13 8,16.10-14 2,19 2,43 600/240 2,40.10-14 9,57.10-15 1,03.10-14 3,86.10-14 1,56.10-14 1,54 1,28 550/480 2,86.10-14 1,31.10-14 1,32.10-14 2,39.10-14 1,60.10-14 1,79 0,40 500/1050 1,92.10-15 2,44.10-15 1,82-10 -15 2,74.10-15 2,30.10-15 0,83 0,88 Tabulka 3. Koeficienty difuze uhlíku v austenitické oceli a kvazirovnovážné koncentrace uhlíku v téže oceli na rozhraní spoje Teplota/čas [ o C]/[h] N + C (0) [hm.%] Teplota/čas [ o C]/[s] N + C (0) [hm.%] 1100/1,5 (1,74±1,59).10-7 1,11±0,02 800/26 (7,63±2,01).10-10 3,62±0,10 1050/3 (4,08±4,78).10-8 1,29±0,05 750/32 (7,25±1,32).10-10 4,43±0,07 1000/5 (6,37±2,64).10-9 1,37±0,04 700/56 (2,42±0,25).10-10 4,97±0,07 950/8 (5,01±3,20).10-9 1,66±0,06 650/114 (1,40±0,27).10-10 4,53±0,10 900/18 (2,49±1,68).10-9 2,53±0,10 600/240 (2,06±0,11).10-11 4,14±0,07 850/18 (1,36±0,49).10-9 2,96±0,09 550/480 (8,04±2,36).10-12 2,67±0,18 800/26 (7,63±2,01).10-10 3,62±0,10 500/1050 (6,70±1,56).10-12 1,95±0,07 D C + Kromě toho se ukazuje, že poměrná rychlost difuze hliníku ke zbývajícím třem prvkům Cr, Fe, Ni je citlivá na strukturu nelegované oceli zkoumaného svarového spoje. V rozmezí teplot 800 o C až 1100 o C, vždy včetně krajních hodnot teplot v intervalu, je průměrná hodnota poměru difuzních koeficientů D Al /D CrFeNi = 6,59±3,78. Struktura svarového spoje je v tomto případě při prodlevě na teplotě, zejména při rostoucí teplotě izotermického žíhání, typu austenit/austenit, D C + 4

Jiné poměry pozorujeme v případě, že struktura rozhraní svarového spoje je typu ferit/austenit. V rozmezí teplot 500 o C až asi 750 o C, kdy zůstává struktura svarového spoje na straně oceli 17242 austenitická, zatímco na straně oceli 12050+Al již existuje feritickoperlitická struktura s vysokým podílem feritu v oblasti přilehlé k rozhraní, pozorujeme s klesající teplotu zřetelnou tendenci ke snižování poměru D Al /D CrFeNi. Při prodlevě na teplotě 500 o C, dokonce difundují Cr a Fe rychleji než hliník. Průměrná hodnota poměru D Al /D CrFeNi přitom činí v uvedeném intervalu teplot 1,48±0,48. Jak plyne z porovnání dat v tabulce 2 (poslední dva sloupce) byla podobná tendence pozorována také ve svarovém spoji v němž nelegovaná ocel 12050 obsahovala pouze 0,49 hm.% Al [1]. V okolí teplot izotermického žíhání 750 až 850 o C, lze však očekávat v závislosti na obsahu hliníku v oceli 12050 dosti velký rozptyl hodnot poměru D Al /D CrFeNi. Teplotní závislost difuzního koeficientu hliníku a průměrného difuzního koeficientu Cr, Fe a Ni v rozmezí teplot 1100 o C až 750 o C lze vyjádřit pomocí Arrheniových závislostí ve tvaru rovnic D Al = 1,96.10-4 exp(-173,6/rt),, [kj/mol], [K], (3) D CrFeNi = 1,31.10-5 exp(-162,3/rt),, [kj/mol], [K]. (4) V rozmezí teplot 700 o C až 500 o C, lze vyjádřit teplotní průběhy koeficientů difuze Al a průměrného koeficientu Cr, Fe a Ni rovnicemi ve tvaru D Al = 3,22.10-5 exp(-148,5/rt),, [kj/mol], [K], (5) D CrFeNi = 3,29.10-6 exp(-134,7/rt),, [kj/mol], [K]. (6) Vidíme, že absolutní hodnota aktivační entalpie difuze hliníku je v obou teplotních intervalech vyšší než aktivační entalpie difuze Cr, Fe a Ni. 3.2 Redistribuce uhlíku ve svarovém spoji Difuzní koeficienty uhlíku v austenitické oceli svarového spoje uvedené v tabulce 3 splňují v celém sledovaném intervalu teplot Arrheniovu závislost a jejich teplotní průběh lze vyjádřit rovnicí D C = 1,21.10-2 exp(-142,2/rt),, [kj/mol], [K]. (7) Ve srovnání s tímto průběhem má kvazirovnovážná koncentrace uhlíku v austenitu N + C (0) na rozhraní spoje v okolí teploty 700 o C výrazné maximum. Kvazirovnovážná koncentrace uhlíku v austenitu na rozhraní spoje s rostoucí teplotou zprvu roste, z hodnoty 1,95 hm.% při teplotě 500 o C, na nejvyšší změřenou hodnotu 4,97 hm.% při teplotě 700 o C a poté s rostoucí teplotou postupně klesá až na koncentraci 1,11 hm.% při teplotě izotermické prodlevy 1100 o C. Znamená to, že také ve svarovém spoji (12050+1,15 hm.% Al)/(17242) dochází k výrazné up-hill difuzi uhlíku. Výsledky měření kvazirovnovážných koncentrací uhlíku v austenitu N + C (0) umožňují kvalifikovaný odhad interakčního koeficientu chrómu v austenitické korozivzdorné oceli. Pro kvazirovnovážnou aktivitu uhlíku na rozhraní spoje lze totiž v prvém přiblížení napsat rovnici a C (0) = (a - C + a + C )/2, (8) podle níž se na rozhraní spoje ustavuje kvazirovnovážná termodynamická aktivita uhlíku rovnající se poloviční hodnotě ze součtu aktivit uhlíku v jedné a druhé oceli spoje [3]. Pomocí definičních vztahů mezi termodynamickou aktivitou a C, aktivitním koeficientem γ C a koncentrací v atomovém zlomku x C (podle nichž je termodynamická aktivita definována vztahem a C = γ C.x C ) lze rovnici (8) upravit do tvaru γ C +.x C + (0) = (γ C -.x C - + γ C +.x C + )/2, (9) 5

v němž lze v nelegované oceli 12050+1,15Al v prvém přiblížení položit aktivitní koeficient γ - C = 1. Poněvadž již známe koncentrace uhlíku x + C (0), x - C a x + C, lze z rovnice (8) vypočítat aktivitní koeficient uhlíku γ + C v austenitické korozivzdorné oceli 17242. Podle Wagnerovy aproximace dodatkových funkcí [4] lze psát aktivitní koeficient uhlíku γ + C v austenitické oceli ve tvaru lnγ + C = ε Cr C.x + Cr + ε Ni C.x + Ni + ε Mn C.x + Mn + ε Si C.x + Si. (10) i Pomocí termodynamických ekvivalentů interakčních koeficientů ε C (kde i = Cr, Ni, Mn, Si) [3] lze rovnici (10) přepsat do formy lnγ + C = ε Cr C.(x + Cr - 0,442.x + Ni + 0,386.x + Mn - 0,673.x + Si ) (11) a s využitím koncentrací Cr, Ni, Mn a Si v atomových zlomcích, přepočtených z koncentračních dat v tabulce 1, je možno stanovit aktivitní koeficient uhlíku γ + C ve tvaru rovnice lnγ + C = ε Cr C.(0,20045-0,442.0,08207 + 0,386.0,01133-0,673.0,00862) = ε Cr C.x + Cr(ekv), (12) kde x + Cr(ekv) = 0,16275. Úpravou a kombinací rovnic (9) a (12) lze dále vyjádřit aktivitní koeficient vztahem γ + C = (γ - C.x - C )/[2 x + C (0) - x + C ] (13) a interakční koeficient ε Cr C, vyjadřující povahu termodynamických sil mezi chromem na uhlíkem, rovnicí ε Cr C = lnγ + C /x + Cr(ekv). (14) Z práce [3] však plyne, že podle rovnice (14) lze počítat interakční koeficienty ε Cr C pouze pro svarový spoj typu austenit/austenit, to znamená prakticky pro interval teplot 1100 o C až 900 o C (nanejvýš ještě do teploty 700 o C). Pro nižší teploty izotermického žíhání spoje má totiž ocel 12050+1,15Al smíšenou austeniticko-feritickou strukturu - v intervalu teplot 850 o C až 750 o C, popřípadě feriticko-perlitickou strukturu - pro teploty 700 o C a nižší. Výpočet v intervalu teplot 850 o C až 750 o C je nejistý, neboť neznáme podíl austenitu a feritu ve struktuře spoje v okolí rozhraní. Pro teploty 700 o C a nižší se proto doporučuje [3] nahradit aktivitu uhlíku a - C = γ - C.x - C v nelegované oceli semiempirickým vztahem a - C = x (ES) C = 23,02exp(-6630/T), (15) který vyjadřuje extrapolovaný průběh rozpustnosti uhlíku v austenitu Fe-C a tím modifikovat rovnici (13) pro přesnější odhad aktivitního a také interakčního koeficientu. Popsaným způsobem vypočtené hodnoty koeficientu termodynamické aktivity a interakčního koeficientu jsou uspořádány v tabulce 4. Cr Data vyznačená v tabulce 4 pro ε C kursivou sloužila ke stanovení Arrheniovy teplotní závislosti této veličiny v rozmezí teplot 1100 o C až 500 o C. Metodou nejmenších čtverců stanovený teplotní průběh interakčního koeficientu má tvar ε Cr C = 6,13 23380/T, [1/(at.zl.)], [K], (16) jemuž odpovídá korelační koeficient r = 0,9381. Porovnáme-li takto stanovenou teplotní závislost interakčního koeficientu ve svarových spojích typu (12050+1,15Al)/(17242) s teplotním průběhem téže veličiny ve svarech typu (12050+0,49Al)/(17242), který je uveden v naší předchozí práci [1] ve tvaru ε Cr C = 8,69-26070/T, [1/at.zl.], [K], (17) 6

potom vidíme, že se vztahy odlišují v hodnotě absolutního členu a v hodnotě členu úměrného aktivační entalpii. První člen pravé strany v rovnici (17) je o asi 40 % a druhý člen v téže rovnici je o asi 12 % větší než s nimi korespondující členy v rovnici (16). Předpokládáme, že tyto rozdíly mohou být kromě chyb měření způsobeny zanedbáním vlivů obsahu hliníku v oceli 12050 na jeho aktivitní koeficient, který byl jak pro ocel 12050+0,49 Al, tak pro ocel - 12050+1,15Al postulován o hodnotě γ C = 1 - viz poznámku u rovnice (9). Podrobné termodynamické analýze a porovnání obou typů svarových spojů zamýšlíme věnovat pozornost v naší příští práci. Tabulka 4. Koeficienty termodynamické aktivity uhlíku γ C + v oceli 17242 svarového spoje a interakční koeficienty ε C Cr - svarové spoje typu (12050+1,15Al)/(17242) x C (ES) Teplota [ o + C] γ C podle (13) pro a - C = γ - - C.x C a - C = γ - - C.x C pro γ - C =1 Cr -ε C [at.zl. -1 ] + γ C podle (13) pro a - (ES) C = x C dle (15) Cr -ε C [at.zl. -1 ] 1100 0,2146 0,021 9,46 - - - 1050 0,1826 0,021 10,45 - - - 1000 0,1712 0,021 11,84 - - - 950 0,1397 0,021 12,09 - - - 900 0,08998 0,021 14,80 - - - 850 0,07652 0,021 15,79 - - - 800 0,06223 0,021 17,06 - - - 750 0,05063 0,021 18,33 - - - 700 0,04504 0,021 19,05 0,05569 0,0253 17,74 650 0,04949 0,021 18,47 0,04640 0,0175 18,87 600 0,05425 0,021 17,91 0,03076 0,0116 21,39 550 0,08511 0,021 15,14 0,03037 0,00730 21,47 500 0,11796 0,021 13,15 0,02502 0,00434 22,67 Poznámka: - aritmetický průměr při teplotě 700 o C: -ε Cr C = 18,40±0,66 [(at.zlomek) -1 ] 4. ZÁVĚR V příspěvku jsou předloženy výsledky původních měření redistribuce hliníku, chromu, železa, niklu a uhlíku ve stykových svarech nelegované oceli typu 12050+1,15Al se zvýšenou koncentrací hliníku, která byla svařena s austenitickou nerezavějící ocelí typu 17242. Ve svarovém spoji uvedeného typu byly v rozmezí teplot 11000 o C až 500 o C stanoveny koeficienty difuze hliníku, chromu, železa a niklu a jejich teplotní závislosti. Bylo zjištěno, že hliník má v uvedeném intervalu teplot v průměru (4,2±3,8) krát větší difuzivitu než zbývající měřené prvky, tj. Cr, Fe a Ni. Relativní rychlost difuze hliníku vzhledem k Cr, Fe a Ni je přitom vyšší za vysokých teplot, kdy v rozmezí teplot žíhání 1100 o C až 800 o C činí 6,6±3,8 násobku difuzivity Cr, Fe a Ni. Nižší relativní rychlost difuze Al je při teplotách žíhání 750 o C až 500 o C, kdy činí 1,5±0,5 násobku průměrné difuzivity chromu, železa a niklu, vždy ve směru napříč rozhraním svarového spoje. V porovnání se svarovým spojem (12050+0,49Al)/(17242), který byl studován již dříve [1] bylo zjištěno, že zvýšením obsahu hliníku v oceli 12050 se jeho difuzivita vzhledem k Cr, Fe a Ni ve spoji zvýšila. Uhlík difunduje v tomtéž typu svarového spoje způsobem up-hill difuze z nelegované oceli12050+1,15al se zvýšeným obsahem hliníku do austenitické oceli 17242, kde se jeho koncentrace významně zvyšuje. 7

Pro uhlík byl v austenitické oceli spoje 17242 stanoven v intervalu teplot 1100 o C až 500 o C jeho termodynamický aktivitní koeficient. S využitím termodynamických ekvivalentů interakčních koeficientů Ni, Mn a Si vzhledem ke chromu [3] byl stanoven též interakční koeficient typu ε Cr C. Na rozdíl od fosforu, který v tomtéž typu svarového spoje difunduje přes svarové rozhraní z oceli 12050+0,45 hm.% P do austenitické oceli 17242 [5] též způsobem up-hill difuze, i když jeho koncentrační skok na svarovém rozhraní je více než řádově menší než v případě up-hill difuze uhlíku, nebyla u hliníku, ani při zvýšeném obsahu 1,15 hm. % v oceli 12050, jeho uphill difuze ve svarových spojích v uvedeném intervalu teplot pozorována. Zpracováno díky projektům GAČR reg. čís. 106/01/0379 a 106/01/0382. LITERATURA [1] STRÁNSKÝ, K. aj. Redistribuce hliníku a uhlíku ve svarech ocelí v intervalu teplot 500-1100 o C. In METAL 2002, Ostrava: Tanger, spol. s r. o., s. 1-8, ISBN 80-85988-73-9, CD ROM (elektronický sborník konference). [2] MILLION, B. Redistribuce prvků ve svarovém spoji A/H3. Ústav fyziky materiálů AV ČR, Brno, 5 s. [3] PILOUS, V., STRÁNSKÝ, K. Structural Stability of Deposits and Welded Joints in Power Engineering. Cambridge International Science Publishing, Cambridge 1998, 176 s. ISBN 1898326 088. [4] WAGNER C. Thermodynamics of Alloys. Addison-Wesley Press, Inc., Cambridge, 1952, 179 s. [5] MILLION B., STRÁNSKÝ K., MICHALIČKA P., REK A.. Difuze a termodynamika fosforu, uhlíku, chromu a niklu ve svarech ocelí. Kovové materiály 39, 2001, č. 3, s. 161-178. 8