Исследование механизмов ycкоренного деформацией массопереноса в системе никель-цирконий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ...... ІНСТИТУТ МЕТАЛОФІЗИКИ

На правах рукопису

УДК 539.219.3:539.?78.3:548Л

. Межшшсьхий Роман Львович

ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЗМІВ ПРИСКОРЕНОГО ДЕФОРМАЦІЄЮ МАСОПЕРЕНЕСЕННЯ В СИСТЕМІ НІКЕЛЬ - ЦИРКОНІЙ

Спеціальність 01.04.13 - фізика металів

АВТОРЕФЕРАТ •

дисертації на здобуття вченого ступеня '

кандидата фізизсо-математк-іциз: наук

Київ-105!)

Дисертацією с рукопис

Роботу виконано в Інституті металофізики НАН України Наукові керівники: доістор технічних наук О.А. Шматко,

кандидат фізико-математитзвйх наук старший науковий співробітник С.М. Захаров.

Офіційні опонента: доктор фізико-математичних наук ЮЛ. Куницысий,

кандидат фізико-математичних наук Д.С. Герцрікен.

Провідна організація: кафедра металофізики Національного державного технічного університету "Київський політехнічний інститут".

Захист відбудеться "20" вересня 1995 р. о 10 годині їй засіданні Спеціалізованої Ради Д. 01.75.01. при Інституті металофізики НАН України (конфереицзал ІМФ НАН України).

З дисертацією поясна ознайомитися у бібліотеці Інституту металофізики НАН України.

Відгуки у двох екаимплярах, завірені печаткою, просимо надсилати на адресу:' 252680 ГСП, Киів-142, проспект Верппдського 36, Інститут металофізики НАН України.

Автореферат розісланий 1995 р.

Вчений секретар Спеціалізованої Рада Д. 01.75.01 доктор фізико-математичних наук Піщак В.К.

ламаною лінісга. Запропоновано пояснення значень цфекгишюї енергії термічної активації масоперепесешія, на основі уявлень про динамічний підпал точкових дефектів.

9. Показан-, що попа прискореного деформацією наземного масоперепесешія у системі №-2г виявляє неоднорідооси

. хімічного і фазового складу на двох розмірних рівнях. Вперши виявлено нерівнсвагісгі X- та X'- фази, які мають гексагональні кристалічні гратки типу со-фази у цирконії а приблизно у 2.5 рази більшими значеннями параметрів гратки. Показано, що утворення таких фаз може бути пов’язаним з швидкоплинними агрегатними перетворенняаш іфистала-розчинника. Виконано оцінки концентрацій власних та домішкових міжвузельних атомів, що здатні спричинити аморфізацію та плавлеши локальних ділянок зони взаємного масоперенесення №-гг.

10. Зроблено чисельні оцінки рушійної сили та тиску, спричинених зошішшим впливом, які дозволили встановить перхшо границю застосування рівнянь для опису дифузійного масоперенесення у твердому тілі у наближенні слабого впливу рушійної сили на таке масоперенесення. Одержано залежності, які описують масоперонесєшія під зовнішівш впливом, що не створює градієнтів температури і параметра кристалічної гратки

" у зразку, за будь-яких значень рушійної сили та її градієнту.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА МАТЕРІАЛАМИ ДИСЕРТАЦІЇ:

1. Ворона С.П., Захаров С.М., Лариков Л.Н., Мазанко В.Ф., Меисвинекий Р.Л. Массопергаюс в твердой фазе при удлрном нагружении пари ниігель-цирісоний//Металлофизика,- 1950. - і:’, і\"а 5. - с. 94-98.

2. Захарои С.М.. Лариков Л.Н., Менизинский Р.Л., Мазанко В.Ф. Масоопоршюс и структура диффузионной зони пари Мі У. с с/ри

ударном нагру:кемии//Металлофизшса. - 1091. - 13, № 11. - с. 97102.

3. Захаров С.М., Мазанко Б.Ф., Мєжвипский Р.Л. Исследование

маесопоршюса х.ри ударном ежами ішкеля и циркоііия

//Металлофизика. - 1993. - 15, № б. - с. 18-24.

4. Захаров С .М., Ларшсод ЛЛ., Межвинасий РЛ. О

температурной зависимости ускоренного деформацией

ыассоп«реноса//Металлофизика и новейшие технологии. • 1994. -16, № 3; с. 15-22.

5.''Захаров СМ., шариков ЛЛ., Мєжвипский РЛ. Влияние

движущей силы, созданной внешним . воздействием, їй

диффузионный масоонеренос в пюрдоы толе//Металлофизика и новейшие технологии. - 1995. - 17, Кг 1, с. 30-35.

6. Захаров СМ,, Лариков ЛЛ., Мезквинский РЛ. Коэффициенты диффузии при ускоренной внешними воздействиями массопереносо в твердом теле//III Черкаський семінар країн співдружності "Актуальні питання дифузії, фазових та структурних перетворень в сплавах". Сокирне, Черкаської області, Україна, 14-19 червня 1995. Тези доповідей. - Черкаси, Черкаський державний педагогічний інститут, 1995. - с. 173.

7. Захаров С.М., Лариков ЛЛ., Мєжвипский РЛ.

Концентрационное распределение, образующееся в результате прохождения потока междоузельных атомов по кристаллу с дефектами-ловушками//III Черкаський семінар країн

співдружності "Актуальні питання дифузії, фазових та структурних перетворень я сплавах". Сокирне, Черкаської області, Україна, 14-19 червня 1995. Тези доповідей. - Черкаси, Черкаський державний педагогічний інститут, 1995. - с. 40.

О

■ запропоновано механізм їх утворення, який припускає локальну втрату дальнього порядку кристалічною граткою;

- визначено верхню граімдю застосування рішшнь дифузії зі знесенням, які базуються на припущенні про незначну дію рушійної сили на масоперенесення; одержало більш загальні вирази з урахуванням градієнту для значень рушійної сили, вищих цієї границі.

Наукова і практична цінність '

1. Розроблено методику вивчення прискореного масоперенесення,

яке відбувається за рахунок же випадкових блукань, так і спрямованого руху. '

2. Розвинуто уявлення про механізми масоперенесення та утворення фаз, яке його супроводжує. Результати розрахунків та оцінок узгоджуються з результатам зксперимезггів.

3. Результати, одержані в роботі, можуть бути використані для створення або удосконалення технологій, що грунтуються на процесах

- розподілу атомів та інших частинок, що їх зовпішнил вплив уводить до оброблюваного матеріалу;

- твердотільної аморфізації шляхом проникнення у матеріал нерівноважних дефектів кристалічної гратки;

- виникнення нових фаз з незвичайними властивостями гшаслідок

аномального масоперенесення (наприклад, утворення со-фази та споріднених з нею фаз шляхом створення масоперенесекням необхідних для їх стабілізації концентрацій валентних злектронів). • .

Особистий внесок автора полягає у .

- проведенні експериментів, зокрема, рентгенізеккого фазового

аналізу, оптичної мікроскопії; _ ■ •

* І

- математичному обробленні результатів, одержаних усіма сксл" оиментальними методами, що їх використаними у даній роботі;

- розробленні способів визначення коефіцієнтів дифузії за умов масоперенесення, прискореного деформацією;

- аналізі одержаних результатів експериментів, який дозволив

- запропонувати методику визначення відносних внесків спрямованого руху та випадкових блукань до загального перенесення маси;

- пояснити характер температурної залежності коефіцієнтів

дифузії за умов масоперенесєння в № і в а-&,

прискореного деформацією, та прогнозувати значення ефективної енергії' термічної активації масоперенесєння в інші матеріали на основі уявлень про динамічний відпал нерівновагашх тачкових дефектів, що їх введено до зразка зовнішним впливом;

- поіі.онити експериментально виявлену неоднорідність зони взаємного масонеренесення №-2г як наслідок короткочасних локальних порушень дальнього порядку кристалічної гратки розчинника за рахунок достатніх для цього концентрацій нерівноважних міжвузельь.іх атомів;

- оцінити верхню (за тиском, що його створює зовнішний

вплив) границю застосування до опису масоперенесення формалізму, який базується на припущенні про незначну у порівнянні з впливом температура дію зовнішнього впливу на масоперенесення та одержати вирази, які описують масоперенесення за будь-яких значень рушійної сили та її градієнту; ' •

- участі В обговоренні результатів та написаній статей.

Положення, іпсі кипосол;о на захист:

1. Формування розподілу концтаїтрацій за иасопереиесцшит, прискореного деформацією, зумовловлепе не тільки дифузійним та спрямованим рухом нершпосаяаіих точкових дефектів, але й їх взаємодією між собою та а іншими дефектами кристсліадої будови.

2. Температурка залеяшість ісоефіціснтіп дифузії , за

прискореного деформацією масопереиессшія Б^знаплсгься процесами динамічного відпалу нсрівїювагкних то'жотиес дефектів, генерованих у матеріалі-розчиннику заішіяпзім впливом. ■

3. Внаслідок ударного стискання у зоні взаємного

масоноренесошія системи >ІЇ-2'г утворюються істотні концентраційні неоднорідності, які включають нерівноваїкні фаги з гексагональною кристалічного структурою типу «-фази, але зі значно більшими періодами гратхш. ,

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертації було викладено у доповідях та обговорено на Всесоюзіой нараді "Влияние внешних воздействий на массоперенос в металлах" (Київ,1300), І Всесоюзній школі-семінарі "Структурная и химическая неоднородность в материалах" (Київ, 1090), 4-й Республіканській конференції "Субструктурное улротнейие металлов" (Київ, 1990); семінарі "Методы механики сплошной среды в теории фазовых переходов" (Київ, 1990), семінарі "Роль диффузионных процессов в формировании поверхности металла с особыми свойствами и образовании неразъемных соединений" (Київ, 1992), семінарі "Механізми структурних перетворень в металах та сплавах" (Сокирне, Черкаської обл., .1993), Ш Черкас!жому семінарі країн співдружності "Актуальні питання

дифузії, фазояих та структурних перетворень в сплавах" (Сокирне, Черкаської обл., 1395).

Дублікаті за темою дисертації. Матеріали дисертації опубліковано у 12 друкованих працях, , з них 5 статей та 7 тез допоаідсй на конференціях (перелік статей та тих тез, зміст яких не викладено у інших публікаціях, наведено наприкінці автореферату). ,

Обсяг та структура роботи. Зміст дисертації, що має вступ, 5 розділів та закінчення, викладено па 189 сторінках тексту, включаючи 17 рисунків, 13 таблиць, список літератури з 147 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та перелічено завдання роботи, вказано на її новизну та практичну цінність, наведено відомості про апробацію роботи, сформульовано положення, які винесено на захисті'.

У першому розділі розглянено і проаналізована відомості з наукової літератури про умови виникнення ефекту "аномального масоперенесення (АМ), подано математичні рівняння, які використовують для його опису, прокоментовано механізми, запропоновані для пояснення можливості його реалізації, способи визначг -ня ефективності АМ, та умови утворення фаз внаслідок АМ. Ііа основі проведеного аітлизу літературних даних сформульовано мету та завдання дослідження.

У другому розділі стисло описано матеріали, процедуру виготовлення експериментальних зразків та фізичні методи їх дослідження (методи одержання розподілу концентрацій мічених атомів, реттенівський фазовий аналіз, оже-електронну

шстросзсопііо та інші), а тахож способи математичного роблення результатів експериментів.

Відповідно до наукових завдань дослідлсснжі па базі рішаних експериментальних даних розроблено нові способи ізрахузпсу:

афективного коефіцієнту дифузії шляхом парівшшгш площ під :спериментальною та дифузійною теоретичною крипиии (зподілу концентрацій за умови малого внеску гіп^оіиіл прямованого руху) атомів і більших за розміром пастилок у іільне масоперенесешія;

коефіцієнту дифузії за вилученням знесення ’ при ісоперснєсенш у иапівпростір за умови значного внеску іесеіш;г до загального масопсрснетпкя,

коефіцієнту дифуяії при дифузії до напівпростору за першим .ічл’патим статистичний моментом розподілу концентрацій <фуз;игга. •

Згідно теорії ймовірностей, потік подій захоплення чзсткпоі-с порндковано розподшзшми пастками може розглядатися як уассоїгіпсьісисй потік подій. Тоді розподіл концентрацій, який ' ііііиігає внаслідок спрямованого руху а гомін у кристалі з афеїстами-паетками має «кспоненційно залежати від відстані, ку пройдено, а не від її квадрата, як у випадку класичної' ифузії для іпсої є характерними випадкові блукання атомів ифузанта. Подібний розподіл концентрацій маємо в умовах аренесення більших за атоми часток матеріалу .(за Л.Л.Руоффом “механічна дифузія"). •

Яісщо при масоперенесешгі реалізується механізм прямованого руху атомів, що проникають у розчинник (тобто іослідоншіх стрибків атомів в одному напрямку’), згідно оцінці,

тривалість такого процесу в умовах експерименту становит ІО"7 с.

Для окремих випадків "механічної дифузії" иеоеміщекі

лгтелей (тобто часткпоїс з попоре’пшм перерізом п

прямокутника) запропоновано модель, відмінну під уявл

Руоффа тим, що у цій ламелі рухаються спрямовано, а

дкфузікпоиодібно: і виникнення ламелей належить не до стг

легкого ісовзашія, а до третьої стадії деформаційного зміцпш

полікристалів, і, до того ж, відбувається на у чистому металі, ;

твердому розчині, який утворився внаслідок масоперенесшг

•через так зване неоднорідне ковзання. Тривалість "механічи

в

дифузії при цьому за оцішсою складає — 10 с.

Як показано у розділі 1, масоперєнесеїшя є поедваїш віишдкових блукань та знесення і у загальному випад емпірична крива розподілу концентрацій не залеікати експоікшцііпю ні від пройденої атомами дифузанта відстані, ; від її квадрата, а являтиме собою залагкність проміяснс характеру. Тоді стандартні відхилення від прямих у координат 1п(с/с0)=ї(х) та 1п(с/с0)=Г(х“) будуть _ кількісіші характеристиками відносних внесків дифузії і знесення у спіли масоперенесєння.

У третьому розділі наведено результати експериментальні досліджень массоаеренвсенни ізотопу ®3№ до № та до а-2 прискореної^ деформаціао стискання ударом, в інторва температур 77 К - 1073 К. Показало, що в умовах єксперимедп внесок спрямованого руху до спільного масопереяесення ден перевищує внесок випадкових блукань (дав. таблицю 5 Показано, що традиційним методом П.Л. Грузії» можи скористатися для наблигкеного визначення ефективної коефіцієнту дифузії за масоцеренееешія лише за умоии аналізу

Таблиця 1.

Стандартні відхилення експериментальних залегкностай .. Іп с/с0=Г(х) та 1п с/с0—Цх2) для масоперенесешія ізотопу 83М до Ні та а-2г_____________

63Ш-»№ 6%і->а-7г

т,к 5Б Г(х) БО І(х2) ББ Г(х) ББ £(—)

77 0,122 0,409 0,261 0,664

293 0,177 0,54 0,349 0,749

373 0,056 0,466 0,237 0,342

473 0,115 0,41 0,521 0,533

573 0.575 1,039 0,242 0,їмі1

673 0,649 1,048 0,103 0,451

773 0,546 0,396 0,281 0,617

873 0.809 1,089 0,166 0.476

973 0,503 0,758 0,263 0,474

1073 0,402 0,549 0,23-1 0,554

експериментальних топок, а не середньої частини.

гі ери неї гг ального розподілу концентрацій (як радить АЛ.. їмсп для досліджень дифузії). Аналізом розподілу центрацій ізотопу показано складну природу явища оперенесоння, прискореного деформацією, ідо складається, як імум, з трьох одночасних процесів: "механічної дифузії", адкових блукань та спрямованого руху атомів. Визначено та іставлено між собою ефективні коефіцієнти дифузії та фіцієнт дифузії з вилученням знесення. Аналізом пературних залежностей коефіцієнтів дифузії за оперенесення у координатах 1пО={(1/КТ) встановлено, що всі ржані температурні залежності масоперенесешія як для конію, так і для нікелю описуються в діапазоні температур 293 К до 1073 К ламаними лініями з двома прямолшгійними піками у двох інтервалах температур: низькотемпературному д 293 К до температури умовної точки зламу температурної їжнсюті, та від температури аламу До 1073 л. При цьому

нахили пряюа ділянок до температурної осі відрізняються о; ьід одного, хцо свідчить про відмінність ефективних ЄНЄ{ термічної активації прискореного деформацією масоперенесе] (див. таблицю 2). Рис. 1 ілюструє таблицю 2 для значення ] визначеного застосуванням методу Грузіна до і експериментальних точок. Для коефіцієнтів дифузії в а температури умовних точок зламу різняться незначна приблизно відповідають температурі початку призматичні ковзання дислокацій в а-7л. Для дифузії у № ця різниця зна' більша і, ймовірно, пов'язана з особливостями проц< епхєміцнєння нікелю за імпульсного стискання, які відбувают під ^ час формування комірчастої, полігонізоваї рекристалізованої структур у динамічному режимі. Розвин уявлення про динамічний відпал нерівноважних точко: дефектів як про явище, що визначає характер температур залежності прискореного деформацією масоперенесеї Запропоновано модель для описання характеру температур залежності коефіцієнтів дифузії за прискореного деформац масоперенесення та прогнозування значень ефективної ене термічної активації дифузії (див. таблицю 3). Розрахунки моделлю відповідають результатам власних дослідж масопереіюсешш взЦЇ у N1 та у а.-2х і даних Д.С. Герцрікен, І Мазанка та ВМ. Фальченка для масопереиесешш **6>69Ре у а та у Си. Модель грунтується на тому що динамічний від лерівноважних точкових дефек ів, генерованих зовншп впливом, за масоперенесення є проявом їх взасмодії з дефект; структури зразка (першою чергою, дислокаціями).

У четвертому розділі досліджено зону взаємі масоперенесення нікель-циркопій, яка виникла внаслідок спіш деформації стискашиш ударом у вакуумі. Методом оже-елект

Таблиця 2.

Опис температурної залеяаиості коефіцієнтів дифузії (у координатах 1пБ=ї(1/КТ) за прискореного стисканням ударом масоперенесешш (ПДМ) 83№ а) у а-2г та б) у Ні________________

Метод визначення Бе£ чи О Значення ефективної енергії термічної актгазаціїЕа (кДж/кг-атом)/(:»В) та стандартного відхилення від прямих ББ в інтервалах температур

293-1073 К Нижня вітка Верхня вітка Темпе- ратура зламу

Еа БИ Ез БВ Еа ЭБ К (°С)

а) 1 20М 0,07 0,773 1112 0,01 0,119 36695 0,38 0,546 706(433)

2 7850 0,08 1,635 3640 0,0 4 2,284 30237 0,31 0,895 710(437)

3 7435 0,08 0,726 0,03 0,274 36884 0,38 0,933 721(448)

4 7874 0,08 0,983 1927 0,02 0,989 38826 0,40 0,687 707(434)

5 7485 0,08 0,726 2520 0,03 0,274 36884 0,038 0,933 721(438)

б) 1 7130 0,07 0,815 185 0,002 0,090 36490 0,38 0,533 676(403)

2 14334 0,752 9909 0,561 45652 0,445 747(474)

0,15 0.10 0,47

3 22618 0,931 14410 0,341 53497 0,515 658(385)

0,23 0,15 0,55

4 16648 0,811 10598 0,369 50593 0,421 716(443)

0,17 0,11 0,52

5 22530 0,928 14410 0,311 53189 0,528 659(386)

0,23 .0,15 0,55

Г1 - за Грузіним по всіх точках, 2 - за Лариковим, 3 - за Ейнштейном. 4 - порівнянням плоіп. 5 - за вилучанням зносиш игі

ної спектроскопії виявлено неоднорідігість хімічного та фазового складу цієї зони, яка має два розмірних рівні (шари завтопшіси ~ 50-100 мкм та неоднорідності у середині них розміром ~ 5- 10 мкм). У зоні взасшюго масоперонесення присутні 5 шарів (одіш :і

З

Рис, 1. Температурні залежності ефективного коефіцієнту дифузії за прискореного деформацією масоперенесєння 63№ а) у Ш,

1/НГГ. х 10г4 кг-ат./кДж

6) у а-7х

(штрихова пряма описує методом наймгшших квадратів всі експериментальні точки у інтервалі 293-1073 К, суцільна ламана описує точки 'у інтервалах 293 К -точка зламу та точка кламу -1073 К) .

' Таблиця 3.

Межі зміни значень ефективної енергії термічної активації (ЕЕТА) прискореного деформацією масоперенєсоння (ПДМ), які прогнозує запропонована модель (Ещ1-енергій міграції

міжвузельїпго атома, Ец'^-енергія утворення вакансії, Ет‘ ся:гргія міграції вакансії; енергія активації класичної теру.ічі'о активованої дифузії складає Е^+Ету)___________________________

Вид точкових ДефіЖТІВ Вітка залежності ІгШ^І/КТ) Процеси релаксації системи у відповідному шггервалі температур Межі змгга значень ЕЕТЛ ПДМ

Мізкву- зельні атоми низькотем- пературна лтгійгаїй відпал + пряма рекомбінація Від 0 ло Ет1 о

выеокотем -пературна лгагійний відпал (значення знижене через валику концентрацію вакансій) + пряма рекомбінація + термічна дифузія Від До Wi.-V.i- їй V

Вакансії ішзькотем- пературна линійний відпал+ пряма рекомбінація Р'ід 0 до V V - .>

высокотем- пературна лгагійний відпал + пряма рекомбінація (значення мале) + термічна дифузія Бід 0 до Е^+Еп-;1 і

боку нікелю та чотири - з боку цирконію). Хімічний склад шарій за результатами оже-електроішого аналізу наведено на рис. 1. Єдиний шар з боку нікелю містить 76-80 ат.% Мі, а шари з бс;:у цирконію - відповідно 14-18 %, 3-5 % та менша 1 ат.% Кі. 2а допомогою ренттшвсысчго фазового аналізу в зоні масоперенесення виявлено нерівноважні фази а гексагональний: кристалічними гратками типу є-фази у цирконії, міл: ними раніше не відомі, позначені :лс X- та X'- фази, на базі, відпг.г.ідл;-,, цирконію та нікелю, зі значеннями параметрів гратки приблизно у 2,5 рази більшими, ник у л-фази. Характер виявлено» п^од^і'1

Рис. 2. Вміст нікелю у зоні взаємного маеоперснесешш №^г за

даними ожо-елекгронного аналізу (не поісазаний шар "механічної

дифузії")

Сш .**.%

100

ЇО

60

'Ні

к.

2(10

1(М»

0

X, мш

і«0

*іУ

ріді гості пояснено а використанням результатів розрахунків за моделлю, яка має передумопою локальні порушення дальнього порядку (аморфіздцію і плавлення) кристала-розчинника під час масош донесення у місцях утворення достатніх для цього концентрацій нєрівноважних міжвузельних атомів. Тривалість процесії? аморфізації та плавлення оцінено у 10~' - 10'° с. Послідоішість формування зони взаємного масоперенесення можна уявити так. Спочатку відбувається масоперонєсешіл шляхом спрямованого руху атомів. У локальних ділянках, д«; виникають та деякий час існують достатні для агрегатних перетворень кристала-розчинника концентрації міжг.узловинідах атомів, відбуваються аморфізація або плавлення, що приводить до незвичайного хараістеру деформації зразків, а у інших ділянках утворюються тверді розчини. Як свідчать дані оже-електрониої спектроскопії, у цирконії поблизу поверхні розділі’ нікель-цирконій утворення твердих розчинів сприяє "механічній

О

' дифузії" шляхом рух** ламелєй. Згідно розрахункам за моделлю, для плавлення цирконію при 1073 К досить 6,3 ат.% нікелю, а для аморфізації - 0,294 ат.%. Таким чином, з боку цирконію мають виникнути, якщо не враховувати шару "механічної дифузії", три ділянки, в одній з шейх розчин*іик плавиться, у друї'й аморфізується, а у третій утворюється твердий розчин. Плавлення і аморфізація через термодинамічні причини будуть коре лсочасними. В результаті швидкої кристалізації зберігається хімічний склад некристалічної фази. Завдяки цьому створеної масоперенесєнням концентрацію нікелю може вистачити для стабілізації електронни-; сполук. Наприклад, для стабілізації е>-фази у цирконії треба не менш, шиє 3 а.т.% шквзио. Можна припустити, що <о-фаза формується у ділянках аморфізації, а видимо, споріднена з нею Х-фаза - у ділянках плавлення. Слід зазначити, що результати розрахунків за мод є. „по добро погоджуються з виміреними концентраціями лементів у шарах зони взаємного масоперенесення. Завдяки спрямованому

характерові масоперенесення, яке залежить, зокрома, від орієнтації зерен та субзерен кристала, ділянки плавлення містячії дрібні частинкии, які не плавилися і тому не розчинилися у рідині за короткий час її існування. Для маеонеренеееівш цирконію у нікель модель прогнозує плавлення за концентрації міжвузельїшх атомів 2г вище 1,2 ат.% та аморфізацію за меншої концентрації 7х. Таким чином, з боку нікелю можуть виникнути дві ділянки структурної нестійкості. Ймовірно, ИІСЛГ; кристалізації ділянка, склад якої «ирів-швея під час плі-тлспш!, стас Х'-фазою, а на ділшщі аморфізації утворюється ткчрдиіі розчин цирконію у нікелі. Умови проникнення їх у Мі за міжаузельним механізмом аиашю гірші, іюк № у 7л, через більші розміри атомів. Розчинність 7,г у N і. мала , тому ділянка твердого

розчину їх у № є вельми вузькою, і практично весь Zr з боку № знаходиться у складі Х'-фази.

У п'ятому розділі оцінено величини рушійної сили та тиску, спричинених зовнішнім впливом, що кшслшсаіоть прискорена масоперєнесеїшя у зразку. Показано, що формалізм, розроблений для незначної дії зовнішнього впливу на масоиеренессшш у порівняли з ефектом температури (зокрема, рівняшія ІІернста-Зйниггейна), має обмежений хараістер. Оцінено верхню за тиском, що його створює зовнішний вплив, границю застосування такого ііїдходу до описання масоперенесешш. Одержано вирази рівнянь ма іперенесення (без урахування впливу дсфектів-пасток), які є придатними і за більшого тиску, тобто за вищих значень величини рушійної сили за умови, що зовнішний вплив не створює у зразку істотних градієнтів температури та параметра гратки. Градієнт рушійної сили може істотно змінюватись на' відстані одного періоду кристалічної гратки.

Якщо Г - рушійна сила, <\г> - середня швидкість знесення, І>Г~Го?4 - коефіцієнт термічної дифузії, І'о - частота стрибків атомів за відсутності дії рушійної сили, X - параметр кристалічної гратки у напрямку дії, сили, J -потік, с -концентрація, Т - температура, І - час, то

2 № Я*,

(1)

П=І>гсЬ(^;)сЬ(^г), <у>

‘ ЗАКЛЮЧЕНИЯ ТА ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розглянено масоперенесення в системі №-гг, прискорене деформацією стискання одноразовим механічним ударом у вакуумі, а також супутні йому явища та процеси, зокрема, динамічний відпал точкових дєфтктів, зміни дислокаційної структури, утворення фаз. Експериментально вивчено прискорене деформацією масоперенесення (аналог еамо-й гетєродифузії) ізотопу 63№ у № та у а-2г за різних температур (розділ 3) і взаємне масоперенесегаш (аналог взаємної дифузії) № та 7.x при 1073К (розділ 4). На основі результатів досліджень та застосування до них розроблених модельних уявлень можна зробити такі висновки:

1. Розроблено метод визначення ефективного коефіцієнту дифузії на базі порівняння площ під експериментальною та дифузійною теоретичною кривими розподілу концентрацій, і метод визначення коефіцієнту дифузії, за чилученкям знесення при масоперенесенні у напівпростір. Для окремого випадку дифузії без знесення у напівпростір показано, можливість розрахунку коефіцієнту дифузії зі* першим статистичним моментом розподілу.

2. Показано, що у граничному випадку переваленого внеску знесення над внеском дифузії до спільного масоперенесення відбувається. гідродинамічна течія сукупності мігквузвльних атомів, що переміщуються подібно рідині,

3. На основі моделі, що припускає рівномірний рух потоку міжву зольних атомів в одному напрямку у кристалі з дефекте -ли-пастками, встановлено, що розподіл концентрацій, який виникає внаслідок цього, описується залежИстю типу ехр(-х) від відстані від почату координат. У рамках моделі зроблено оцінку тривалості прискореного деформацією ма перенесення.

4. Показано, що розподіл концєшрацій, утворений "механічною дифузією" (переміщенням об'ємів матеріалу під дією навантаження), за певних умов (рівномірний розподіл • пасток і сили опору проникненню частинок) описується еіссноненційною залежністю від глибини проникнення, а не від її квадрата.

5. Побудовано схеми розподілів, які виникають за проникнення у

криста-.чівій матеріал потоків частинок різних розмірів, можливі при різних співвідношеннях енергії частинок та концентрації пасток. .

6. Для випадку масоперенесення з миттєвого джерела запропоновано спосіб оцінки внесків спрямованого руху та випадкових блукань до масоперенесешш за експериментальним розподілом концентрацій.

7. Показано, що {розгаодаяя ®^Кі у № ти в в-їх, одержані за деформації механічним ударом, формуються внаслідок поєднання випадкових блукань атомів зі спрямованим рухом.

8. Встановлено, що температурні залежності коефіцієнтів дифузії за прискореного деформацією масоперенесення як у нікель, так і в а-циркошй при температурах, вищих кімнатної, описуються

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ Актуальність тегст. Ефект аномального масоперенесення відкрито п Інституті металофізики у першій половині 70-х років. Відтоді просолено численні дослідження, якими з'ясовано чимало загальних особливостей цього явища за умов інтенсивного зовнішнього впливу. Незважаючи на значну кількість публісг'.цііі, на даний час немає єдиної системи уявлень про аномальне масоперенесення, а тому немає і єдиного методичного підог^ду до його дослідмсення. Неясно, чи є аномальне масоперенесешія наслідком спрямованого або випадкового руху його носій.і, тому однозначно не з'ясовано навіть вигляд рівнянь, котрі мали б його описувати. Не визначено характер розподілів концентрацій, які виникають внаслідок аномального масоперенесення, а також не з'ясовано особливості супутніх аномальному масоперенесешпо явищ, таких, як утворення фаз та зміни дефектної структури кристала. В сі «по чергу, відсутність уявлень про -аномально масоперенесешія утруднює його застосування до технологій мехаїгіко-хіміко-термгшого оброблення. Таким чином, тема дисертаційної роботи с актуальною. '

Мета і завдання роботи. Метою дисергаційної роботи є вивчення механізмів формування хімічного, структурного і фазового складу зони прискореного зовішлким впливом' масоперенесення на прикладі системи нікель - цирконій. '

Відповідно до обраної мети поставлено і пирішено такі наукові завдання: .

1. Експериментально дослідити масоперенесення ізотопу ®3№ у № та у п-Хг у широкому диапазоні температур. .

2. Розробити методику виділення і порівняння внеску випадкових блукань і спрямованого руху до спільного перенес анкя маси.

З

. * •

3. Дослідити роль динамічного відпалу перівноваисних точкових

доф'-стіг» як яиищп, що вкзгіачає характер температурної :іало::аіссті коефіцієнтів масопере-іесення, прискореного зовнішніш шитвом.

4. Вивчити хімічний і фазовий склад та структуру зони взаємного масопаренесення нікелю та а-цкрконію, що утворюється внаслідок спільного стискання ударом у вакуумі при підвищених температурах.

5. Отримати рівняння, які описують масоперєнесєиня у твердому тілі за умов високих величин рушійної сили з урахуванням її градієнту, та оцінити границі застосування таких рівнянь.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що

- запропоновано нові способи визначення коефіцієнтів дифузії при різних внесках спрямованого руху у масоперенесення;

- показано, що рух потоку атоь.ів під дією великої рушійної сили у твердому тілі набуває характеру гідродинамічної течії і спричиняє розподіли концентрацій; відмінні від класичних дифузійних;

- доповнено уявлення про "механічну дифузію"; _

- показано, що проникнення у матеріал потоків як атомів, так і більших за розміром част люк, що рухаються спрямовано і взаємодіють з дефектами кристалічної будови, спричиняє -роїтод^ш концентрацій, які пов'язані з глибиною проникнення кіложшстю типу ехр(-х);

- на основі уявлень про динамічний відпал нерівноважних точкових дефектів визначено вплив цього явища на характер температурної залежності коефіцієнтів дифузії за прискореного деформацією масоперенессіщя;

- скс.тгаримеїггально виявлено не відомі раніше нерівноважні фази у зоні взаємного масоперр.несення нікелю і цирконію і

Mezhvinsky R.L. Deformation Speeded Mass Transfer Mechanisms Investigation in Nickel-ZircQnium System.

Thesis for a degree Candidate Fizico-Matematicheskikh Nauk in the field of physics of metals, subject classification code 01.0-i.13: Institute of Metal Physics, Kiev, 1995.

Mechanisms of deformation speeded mas3 transfers are considered bailed on experiments in the system Ni-Zr. Models of concentration distribution and chemical and phase non-uniformity’s formation in mass transfer zone arc suggested. Diffusion coefficient calculation methods in circumstances of external actions taking into account contributions of atoms' dire»;* moving and mechanical migrations of volumes of material are developed.

Межвішский РЛ. Исследование механизмов ускоренного деформацией массопереноса в системе никелі -цирконий. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.13 - физика

металлов, Институт металлофизики, Киев, 1995.

На основе экспериментов в системе Ni-Zr рассмотрены механизмы ускоренного деформацией массопереноса. Предложены модели формирования распределений

концентраций в зоне массопереноса и неоднородностей ее химического и фазового состава. Разработаны методы

определения коэффициентов диффузии в условиях внешних

воздействий, учитывающие вклад направленного движения

атомов и механическое перемещение объемов материала.

Ключові слова: деформлціл, масоперонесення, дифузія, точкові Дефекти, динамічний відпал, агрегатні поретворешіл, нерівноважні фази.

і