METAL 2002
14. – 16. 5. 2002. Hradec nad Moravicí
REDISTRIBUCE HLINÍKU A UHLÍKU VE SVARECH OCELÍ V INTERVALU TEPLOT 500-1100 oC Karel Stránskýa) Bořivoj Millionb) Rudolf Foreta) Petr Michaličkab) Antonín Rekc) a)
VUT FSI ÚMI Brno, Technická 2, 616 69 Brno, ČR, e-mail:
[email protected] b) ÚFM AV ČR Brno, Žižkova 22, 606 62 Brno, ČR c) VTÚO Brno, P. O. BOX 547, 602 00 Brno, ČR
Abstrakt V příspěvku jsou uvedeny původní výsledky měření redistribuce hliníku, chrómu, železa, niklu a uhlíku ve svarových spojích nelegované oceli typu 12050 se zvýšenou koncentrací hliníku a vysokolegované austenitické CrNi oceli 17242. Chemické složení ocelí bylo následující [hm.%]: a) ocel 12050+Al: 0,35 C, 0,490 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 oC (po 50 oC) 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 a Ni a objasněny vztahy mezi nimi. Abstract On the redistribution of aluminium and carbon in a weld joints of steels in the temperature range 500-1100 oC. In this paper an original results of aluminium, chromium, iron, nickel and carbon redistribution in welded joints of unalloyed 12050+Al 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: 0.35 wt.% C, 0.490 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 oC (with the steps 50 oC) 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.
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002. Hradec nad Moravicí
1. ÚVOD Ocele dezoxidované hliníkem i oceli, které obsahují hliník jako legovací přísadu se případ od případu také navzájem svařují. Chemické složení základních materiálů a zejména materiálů přídavných, může mít vliv nejenom na chování oceli během svařování a po svaření, ale též na samotnou technologii svařování. Chemické složení ovlivňuje průběh dezoxidačních reakcí a tím určuje obsah kyslíku ve svarovém kovu i ve svarovém kovu spoje, který vznikne promíšením přídavného materiálu se základním materiálem. Obsah hliníku, který je třeba k zajištění co nejnižší tranzitní teploty nelegovaných a nízkolegovaných ocelí by se měl ve svarovém kovu spoje v tuhém roztoku pohybovat mezi 0,015 až 0,025 hm.% Al [1]. Rovnovážný diagram Fe-Al je dobře znám [2]. Hliník tvoří se železem tuhý roztok v α-Fe i v γ-Fe. Silně však zužuje oblast γ železa a značně rozšiřuje oblast α železa.. Jeho maximální rozpustnost v železe α činí 36 hm.% při teplotě 1103 oC. Rozdělovací koeficienty hliníku mezi pevnou fází a taveninou při tuhnutí slitin na bázi železa se uvádějí v širokém rozmezí 0,12 až 0,92 [3,4]. Široké rozmezí hodnot rozdělovacího koeficientu hliníku mezi pevnou fázi a taveninu oceli svědčí o tom, že u některých slitin železa je nutno počítat s jeho vysokým odmíšením a tím také s jeho vysokou koncentrační nehomogenitou, u jiných nikoli. Koeficienty chemické difúze hliníku v α-Fe byly publikovány několika autory [2,5]. Porovnání difuzivity hliníku s koeficienty difúze substitučních prvků v železe α ukazuje, že se hliník řadí z hlediska difúze v železe na rozhraní mezi intersticiální prvky (uhlík, dusík) a prvky substituční, i když se mnohem více přiklání k prvkům substitučním. Například pro hliník a chróm je při teplotě 1000 oC poměr jejich koeficientů difúze v železe α o hodnotě 13,1 [2], zatímco poměr koeficientů difúze uhlíku a chrómu v železe činí při téže teplotě ≈1,4.106 [1]. Podle našich orientačních měření redistribuce Al, Cr, Fe a Ni ve svarových spojích ocelí typu (12050+Al)/(17242) při teplotě 1000 oC [6], kdy mají obě svařené ocele austenitickou strukturu, má poměr difúzních koeficientů hliníku a zbývajících prvků (Cr, Fe a Ni) průměrnou hodnotu 3,2. Tato hodnota vztahující se k austenitu je nižší než uvádí literatura [2] pro ferit. Cílem předloženého příspěvku je podat informace o původních výsledcích měření koeficientu difúze hliníku, chrómu, železa, niklu a uhlíku ve svarových spojích nelegované a austenitické chróm-niklové oceli, tj. ve svarech typu (12050+Al)/(17242), v rozmezí teplot 500 až 1000 oC. 2. PŘÍPRAVA VZORKŮ A METODIKA MĚŘENÍ Obě použité oceli, tj. ocel 12050 i ocel 17242, pocházely z běžných komerčních dodávek. Nelegovaná ocel 12050 byla přetavena ve vakuové laboratorní peci, dolegovaná 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 17242 12050+Al
C 0,17 0,44
Mn 1,13 0,69
Si 0,44 0,33
P 0,015 0,011
S 0,006 0,027
Cr 18,93 0,05
Ni 8,75 0,04
Mo 0,02 0,04
Al 0,49
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002. Hradec nad Moravicí
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 speciálním přípravku v ochranné atmosféře argonu. Poté byly vzorky svařené difúzní páry izotermicky žíhány v evakuovaných křemenných ampulích s titanovými třískami při teplotách v rozmezí 500 oC až 1100 oC s odstupňováním po 50 oC. Doba žíhání svarových párů byla odstupňována v obráceném poměru k teplotě žíhání od 1050 až po 1,5 h. 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 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 C Kα byl použit standard Fe3C. 2.1 Proložení koncentračních křivek pro hliník, chróm, železo a nikl K proložení koncentračních křivek Al, Cr, Fe a Ni na základě změřených koncentrací prvků ve spojích bodovou analýzou byla pro x ∈ (-∞, ∞) aplikována rovnice Ni(x,t) = Ni+ + 0,5(Ni- - Ni+)erfc{[x - δ]/[√(Dit)]},
(1)
v níž Ni jsou koncentrace hliníku, chrómu, železa a niklu [hm.%], přičemž Ni-, Ni+ 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], Di jsou difúzní koeficienty hliníku, železa, chrómu a niklu [cm2/s] 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 během izotermického žíhání daného typu spoje v celém rozsahu sledovaných teplot oduhličována, nebyla v daném případě proměřována. Měření uhlíku, provedené úsečkovou analýzou, bylo zaměřeno pouze na stanovení rozložení koncentrace tohoto prvku v pravé (+), během izotermického žíhání způsobem up-hill difúze C nauhličované oceli 17242. Cílem tohoto měření bylo stanovit kvazirovnovážnou koncentraci uhlíku v austeniciké oceli na rozhraní, co nejblíže tomuto svarovému rozhraní a koeficient difúze uhlíku.
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002. Hradec nad Moravicí
Pro pravou stranu svarového spoje (+) byla k proložení koncentračních křivek uhlíku použita rovnice NC+ (x,t) = NC+ + [NC+(0) - NC+]erfc{x/[2√(DC+t)]}.
(2)
+
V rovnici (2) je NC koncentrace uhlíku na konci polonekonečného vzorku, tj. pro x → +∞, NC+(0) je kvazirovnovážná koncentrace uhlíku na rozhraní svarového spoje zprava, tj. pro x → 0 a DC+ 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 difúzních 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, včetně obrazové dokumentace výsledků, jsou uspořádány v interní publikaci [7], uložené v archivech na ÚFM AV ČR v Brně a VUT-FSI, ÚMI-ONoM v Brně. Data v tabulkách 2 a 4 se podle měření na analytickém komplexu JEOL JXA-8600/KEVEX Delta-V vztahují k průměrným koncentracím Al, Cr, Fe a Ni změřeným na souboru třinácti vzorků svarových párů a uvedeným v tabulce 3 se střední chybou aritmetického průměru. Směrodatná odchylka koncentrace jednotlivých prvků v tabulce charakterizuje z větší části mikroheterogenitu prvků v jednotlivých spojích; z menší části se do směrodatné odchylky promítají též nestability vlastního dlouhodobého měření koncentrací prvků. Tabulka 2. Koeficienty difúze Al, Cr, Fe a Ni ve svarovém spoji (12050+Al)/(17242) a jejich poměry vzhledem ke hliníku Teplota/čas 10-15DAl 10-15DCr 10-15DFe 10-15DNi DAl/DC DAl/DFe DAl/DNi DAl/DCrFeN [°C]/[h] [cm2/s] [cm2/s] [cm2/s] [cm2/s] [-] [-] r i [-] [-] 1100/1,5 52500 32500 32800 9440 1,62 1,60 5,56 2,93 1050/3 30400 11100 9180 3070 2,74 3,31 9,90 5,32 1000/5 14600 3390 3910 2610 4,31 3,74 5,59 4,55 950/8 17700 6650 7400 4860 2,66 2,39 3,64 2,90 900/18 2520 803 767 253 3,14 3,29 9,96 5,46 850/18 202 410 390 299 0,49 0,52 0,68 0,56 800/26 177 151 134 149 1,17 1,32 1,19 1,23 750/32 431 91,7 85,7 182 4,70 5,03 2,37 4,03 700/56 107 47,3 40,7 201 2,26 2,63 0,53 1,81 650/114 65,2 22,1 21,0 53,2 2,95 3,10 1,23 2,43 600/240 8,25 4,94 5,39 13,2 1,67 1,53 0,63 1,28 550/480 0,769 2,37 1,10 4,37 0,32 0,70 0,18 0,40 500/1050 1,05 1,21 0,807 2,16 0,87 1,30 0,49 0,88 Tabulka 3. Mikroanalýzou stanovené průměrné koncentrace hliníku, chrómu, železa a niklu v ocelích svarového spoje [hm.%] Ocel Al Cr Fe Ni 12050+Al 0,580±0,007 0,25±0,02 97,00±0,19 0,09±0,01 17242 0,013±0,002 18,39±0,18 68,24±0,36 7,87±0,17
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002. Hradec nad Moravicí
3.1 Difúze hliníku, chrómu, železa a niklu ve svarovém spoji Difúzní koeficienty hliníku, chrómu, železa a niklu jsou uspořádány v tabulce 2. Z hodnot difúzních koeficientů změřených při jednotlivých teplotách plyne, že difúzní koeficienty hliníku se v měřeném intervalu teplot nacházejí vesměs nad hodnotami koeficientů difúze chrómu, železa a niklu. Aritmetické průměry jednotlivých poměrů difúzních koeficientů DAl/Di (kde i = Cr, Fe, Ni ) jsou tyto: DAl/DCr = 2,22±1,37, DAl/DFe = 2,34±1,32 a DAl/DNi = 3,22±3,50. Poměry difúzních koeficientů mírně rostou v pořadí chrómu, železa a niklu, avšak rozdíly jsou v mezích směrodatných odchylek těchto poměrů. Lze tedy říci, že hliník difunduje ve svarovém spoji tvořeném nelegovanou a austenitickou korozivzdornou ocelí v úhrnu rychleji než chróm, železo a nikl. Vezmeme-li v úvahu průměrnou hodnotu poměru difúzních koeficientů těchto tří prvků (Cr, Fe, Ni) vzhledem ke hliníku, potom v intervalu teplot 500 °C až 1100 °C má tento poměr podle dat v tabulce 2 hodnotu DAl/DCrFeNi = 2,60±1,78. Kromě toho se ukazuje, že poměrná rychlost difúze hliníku ke zbývajícím třem prvkům Cr, Fe, Ni je citlivá na strukturu nelegované oceli zkoumaného svarového spoje. V rozmezí teplot 900 °C až 1100 oC (vždy včetně krajních hodnot teplot v intervalu), kdy je struktura oceli 12050+Al v okolí rozhraní svarového spoje austenitická, takže svarový spoj je typu austenit/austenit, je průměrná hodnota poměru DAl/DCrFeNi = 4,23±1,25. V rozmezí teplot 750 oC až 850 oC, kdy je struktura v okolí rozhraní spoje tvořena směsí austenitu a feritu, s rostoucím podílem feritu s klesající teplotou izotermického žíhání, má hodnota poměru DAl/DCrFeNi tendenci růst s rostoucím podílem feritu na rozhraní spoje a v průměru činí DAl/DCrFeNi = 1,94±1,84. V rozmezí teplot 500 oC až 700 oC, kdy zůstává struktura svarového spoje na straně oceli 17242 austenitická, zatímco na straně oceli 12050+Al již existuje feriticko-perlitická struktura, s vysokým podílem feritu v oblasti přilehlé k rozhraní, pozorujeme s klesající teplotu zřetelnou tendenci ke snižování poměru DAl/DCrFeNi . Při prodlevě za teplot 500 oC a 550 oC, dokonce difundují Cr, Fe a Ni v úhrnu rychleji než hliník. Průměrná hodnota poměru DAl/DCrFeNi přitom činí v uvedeném intervalu teplot 1,36±0,79. Teplotní závislost difúzního koeficientu hliníku a průměrného difúzního koeficientu Cr, Fe a Ni v rozmezí teplot 1100 oC až 800 oC lze vyjádřit pomocí Arrheniových závislostí ve tvaru rovnic DAl = 0,457exp(-256,0/RT), [cm2/s], [kJ/mol], [K],
(3)
DCrFeNi = 3,52.10-3exp(-213,4/RT), [cm2/s], [kJ/mol], [K].
(4)
V rozmezí teplot 750 oC až 550 oC, s vyloučením měření při teplotě 500 oC kdy je difúze zmíněných prvků již ovlivněna hranicemi zrn, lze vyjádřit teplotní průběhy koeficientů difúze rovnicemi ve tvaru DAl = 5,98.10-4exp(-182,8/RT), [cm2/s], [aj./mol], [K],
(5)
DCrFeNi = 3,44.10-5exp(-161,3/RT), [cm2/s], [kJ/mol], [K].
(6)
Vidíme, že absolutní hodnota aktivační entalpie difúze hliníku je v obou teplotních intervalech vyšší než aktivační entalpie difúze Cr, Fe a Ni. 3.2 Redistribuce uhlíku ve svarovém spoji Difúzní koeficienty uhlíku v austenitické oceli svarového spoje uvedené v tabulce 4 splňují v celém sledovaném intervalu teplot Arrheniovu závislost a jejich teplotní průběh lze vyjádřit rovnicí
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002. Hradec nad Moravicí
DC = 1,58.10-2exp(-143,7/RT), [cm2/s], [kJ/mol], [K].
(7)
Ve srovnání s tímto průběhem má kvazirovnovážná koncentrace uhlíku v austenitu NC+(0) na rozhraní spoje v okolí teploty 700 oC výrazné maximum. Kvazirovnovážná koncentrace uhlíku v austenitu na rozhraní spoje s rostoucí teplotou zprvu roste, z hodnoty 2,25 hm.% při teplotě 500 oC, na nejvyšší změřenou hodnotu 4,61 hm.% při teplotě 700 oC a poté s rostoucí teplotou postupně klesá až na koncentraci 1,25 hm.% při teplotě izotermické prodlevy 1100 o C. Znamená to, že také ve svarovém spoji (12050+Al)/(17242) dochází k výrazné up-hill difúzi uhlíku. Tabulka 4. Koeficienty difúze uhlíku v austenitické oceli a kvazirovnovážné koncentrace uhlíku v téže oceli na rozhraní spoje Teplota/čas [°C]/[h] 1100/1,5 1050/3 1000/5 950/8 900/18 850/18 800/26
DC+ [cm2/s] (1,57±3,94)10-7 (1,85±1,11)10-9 (2,34±1,51)10-8 (2,19±1,03)10-9 (1,05±0,39)10-9 (2,08±0,60)10-9 (7,68±2,03)10-10
NC+(0) [hm.%] 1,25±0,10 1,33±0,10 1,53±0,04 1,56±0,08 1,96±0,08 2,37±0,06 3,41±0,09
Teplota/čas [oC]/[s] 800/26 750/32 700/56 650/114 600/240 550/480 500/1050
DC+ [cm2/s] (7,68±2,03)10-10 (2,10±0,84)10-9 (3,86±0,42)10-10 (1,32±0,15)10-10 (2,06±0,11)10-11 (6,46±0,96)10-12 (5,01±0,21)10-12
NC+(0) [hm.%] 3,41±0,09 4,18±0,09 4,61±0,05 4,54±0,06 4,48±0,05 3,29±0,12 2,25±0,21
Výsledky měření kvazirovnovážných koncentrací uhlíku v austenitu NC+(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 aC(0) = (aC- + aC+)/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 [1]. Pomocí definičních vztahů mezi termodynamickou aktivitou aC, aktivitním koeficientem γC a koncentrací v atomovém zlomku xC , podle nichž aC = γC.xC, lze rovnici (8) upravit do tvaru
γC+.xC+(0) = (γC-.xC- + γC+.xC+)/2,
(9)
v němž lze v nelegované oceli 12050+Al s jistou přibližností položit aktivitní koeficient γC- = 1. Poněvadž již známe koncentrace uhlíku xC+(0), xC- a xC+, lze z rovnice (8) vypočítat aktivitní koeficient uhlíku γC+ v austenitické korozivzdorné oceli 17242. Podle Wagnerovy aproximace dodatkových funkcí [8] lze psát aktivitní koeficient uhlíku γC+ v austenitické oceli ve tvaru lnγC+ = εCCr.xCr+ + εCNi.xNi+ + εCMnxMn+ + εCSi.xSi+ .
(10)
Pomocí termodynamických ekvivalentů interakčních koeficientů εCi (kde i = Cr, Ni, Mn, Si) [1] lze rovnici (10) přepsat do formy lnγC+ = εCCr.(xCr+ - 0,442.xNi+ + 0,386.xMn+ - 0,673.xSi+)
(11)
a s využitím koncentrací Cr, Ni, Mn a Si v atomových zlomcích (přepočtených z koncentračních dat v tabulce 2) je možno stanovit aktivitní koeficient uhlíku γC+ ve tvaru
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002. Hradec nad Moravicí
lnγC+ = εCCr.(0,20045-0,442.0,08207+0,386.0,01133-0,673.0,00862) = εCCr.xCr(ekv)+ ,
(12)
kde xCr(ekv)+ = 0,16275. Úpravou a kombinací rovnic (9) a (12) lze dále vyjádřit aktivitní koeficient vztahem
γC+ = (γC-.xC-)/[2 xC+(0) - xC+]
(13)
a interakční koeficient εCCr, vyjadřující povahu termodynamických sil mezi chrómem na uhlíkem, rovnicí εCCr = lnγC+/xCr(ekv)+.
(14) Cr
Z práce [1] však plyne, že podle rovnice (14) lze počítat interakční koeficienty εC pouze pro svarový spoj typu austenit/austenit, to znamená prakticky pro interval teplot 1100 oC až 900 oC (nanejvýš ještě do teploty 700 oC). Pro nižší teploty izotermického žíhání spoje má totiž ocel 12050+Al smíšenou austenitickou strukturu (v intervalu teplot 850 oC až 750 oC), popřípadě feriticko-perlitickou strukturu (pro teploty 700 oC a nižší). Výpočet v intervalu teplot 850 oC až 750 oC je nejistý, neboť neznáme podíl austenitu a feritu ve struktuře spoje v okolí rozhraní. Pro teploty 700 oC a nižší se doporučuje nahradit aktivitu uhlíku aC- = γC.xC- v nelegované oceli semiempirickým vztahem aC- = xC(ES) = 23,02exp(-6630/T),
(15)
který vyjadřuje extrapolovaný průběh rozpustnosti uhlíku v austenitu Fe-C a tím modifikovat rovnici (13) pro přesnější odhad aktivitního i interakčního koeficientu. Popsaným způsobem vypočtené hodnoty koeficientu termodynamické aktivity a interakčního koeficientu jsou uspořádány v tabulce 5. Tabulka 5. Koeficienty termodynamické aktivity uhlíku γC+ v oceli 17242 svarového spoje a interakční koeficienty εCCr xC(ES) Teplota [oC] γC+ dle (13) γC-.xCγC+ dle (13) - εCCr - εCCr (ES) dle (15) pro aC = xC pro aC = γC .xC pro γC =1 1100 0,18884 0,0209 10,24 1050 0,17671 0,0209 10,65 1000 0,15225 0,0209 11,56 950 0,14915 0,0209 11,69 900 0,11733 0,0209 13,17 850 0,09628 0,0209 14,38 800 0,06617 0,0209 16,69 750 0,05372 0,0209 17,97 700 0,04862 0,0209 18,58 0,06011 0,0253 17,28 650 0,04938 0,0209 18,48 0,04220 0,0175 19,45 600 0,05006 0,0209 18,40 0,02833 0,0116 21,90 550 0,06864 0,0209 16,46 0,02449 0,00730 22,79 500 0,09977 0,0209 14,16 0,02115 0,00434 23,69 Kursivou vyznačená data pro εCCr v tabulce 5 sloužila ke stanovení Arrheniovy teplotní závislosti této veličiny v rozmezí teplot 1100 oC až 500 oC. Metodou nejmenších čtverců stanovený teplotní průběh interakčního koeficientu má tvar εCCr = 8,69 - 26070/T , [1/at.zl.], [K].
(16)
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002. Hradec nad Moravicí
4. ZÁVĚR V příspěvku jsou předloženy výsledky původních měření redistribuce hliníku, chrómu, železa, niklu a uhlíku ve stykových svarech nelegované oceli typu 12050+0,49Al se zvýšenou koncentrací hliníku, která byla svařena s austenitickou nerezavějící ocelí typu 17242. Ve svarovém spoji uvedeného typu byly v rozmezí teplot 11000 oC až 500 oC stanoveny koeficienty difúze hliníku, chrómu, železa a niklu a jejich teplotní závislosti. Bylo zjištěno, že hliník difunduje v uvedeném intervalu teplot v průměru (2,6±1,8) krát rychleji než zbývající měřené prvky, tj.Cr, Fe a Ni. Relativní rychlost difúze hliníku vzhledem k Cr, Fe a Ni je přitom nejvyšší za vysokých teplot, kdy v rozmezí teplot žíhání 1100 oC až 900 oC činí 4,2±1,3 násobku difuzivity Cr, Fe a Ni. Nejnižší relativní rychlost difúze Al je při teplotách žíhání 550 oC a 500 oC, kdy klesá pod rychlost difúze uvedených tří prvků a činí 0,64±0,24 násobek průměrné difuzivity chrómu, železa a niklu, vždy ve směru napříč rozhraním svarového spoje. Uhlík difunduje v tomtéž typu svarového spoje způsobem up-hill difúze z nelegované oceli12050+0,49Al se zvýšeným obsahem hliníku do austenitické oceli 17242, kde se jeho koncentrace významně zvyšuje. Pro uhlík byl v austenitické oceli spoje 17242 stanoven v intervalu teplot 1100 oC až 500 oC jeho termodynamický aktivitní koeficient a s využitím termodynamických ekvivalentů interakčních koeficientů Ni, Mn a Si vzhledem ke chrómu [1] byl stanoven též interakční koeficient typu εCCr. Na rozdíl od fosforu, který v tomtéž typu svarového spoje difunduje přes svarové rozhraní z oceli 12050+0,45P do austenitické oceli 17242 [9] též způsobem ap.-hill difúze, i když jeho koncentrační skok na svarovém rozhraní je více než řádově menší než v případě této difúze uhlíku, nebyla u hliníku jeho up-hill difúze v uvedeném intervalu teplot pozorována. Zpracováno díky projektům GAČR reg. čís. 106/01/0379 a 106/01/0382. LITERATURA [1] PILOUS, V., STRÁNSKÝ, K. Structural Stability of Deposits and Welded Joints in Power Engineering. Cambridge International Science Publishing, Cambridge 1998, 176 s. ISBN1898326 088. [2] SMITHELLS, C.J. Metals Reference Book, Fourth Edition, Butterworths, London 1967, 1147 s. [3] CHVORINOV, N. Krystalizace a nestejnorodost oceli, NČSAV, Praha 1954, 381 s. [4] KUCHAŘ, L., DRÁPALA, J. Metalurgie čistých kovů - metody rafinace čistých látek. Nadácia R. Kammela, Košice 2000, . [5] ADDA, Y., PHILIBERT, J. La diffusion dans les solides. Presses Universitaries de France, Paris 1966. [6] STRÁNSKÝ K. aj. Příspěvek k redistribuci hliníku ve svarech ocelí. In METAL 2001. 10th International Metallurgical and Materials Conference. Proceedings & CD-ROM. Ref. No. 171, ISBN 80-85988-56-9. [7] MILLION, B. Redistribuce prvků ve svarovém spoji A/H2. Ústav fyziky materiálů AV ČR, Brno, 75 s. [8] WAGNER C. Thermodynamics of Alloys. Addison-Wesley Press, Inc., Cambridge, 1952, 179 s. [9] MILLION B., STRÁNSKÝ K., MICHALIČKA P., REK A.. Difúze a termodynamika fosforu, uhlíku, chrómu a niklu ve svarech ocelí. Kovové materiály 39, 2001, č. 3, s. 161178.
