Исследование образования металлической связи при получении биметаллов на основе кинетики взаимодействия атомов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

На правах рукописи у"

и034Э0Э40

Ким Станислав Леонидович

ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СВЯЗИ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ БИМЕТАЛЛОВ НА ОСНОВЕ КИНЕТИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АТОМОВ

Специальность: 01.04.17 - Химическая физика, горение и взрыв,

физика экстремальных состояний вещества

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 8 ЯНВ 2И0

Ижевск-2010

003490940

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте прикладной механики Уральского отделения РАН

Научный руководитель: доктор технических наук,

старший научный сотрудник Дементьев Вячеслав Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Стеклов Олег Иванович

доктор физико-математических наук, профессор Вахрушев Александр Васильевич

Ведущая организация: Институт структурной макрокинетики

и проблем материаловедения РАН

Защита состоится «19» февраля 2010г. в 12— на заседании диссертационного совета ДМ 004.013.01 при Институте прикладной механики УрО РАН, 426067, г.Ижевск, ул. Т.Барамзиной, 34 http://www.udman.ru/iam/ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПМ УрО РАН

Автореферат разослан « 18 » января 2010 г.

Ученый секретарь П. —'

диссертационного совета, д.ф.-м.н. ^гиТс^^ С.П. Копысов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Освоение углеводородов и других полезных ископаемых привело к цепной реакции развития человечества.

Каждый день возникает потребность в новых более совершенных материалах, а так же в их усовершенствовании (увеличение предела текучести, пластичности износостойкости и.т.д.). Между тем природные запасы некоторых металлов очень малы, что делает их редкими и дорогостоящими.

Сократить использование редких дорогостоящих металлов, при этом производя необходимое для обеспечения нарастающего спроса количество изделий с использованием этих металлов, позволяют биметаллические конструкции.

Работоспособность биметаллической конструкции зависит от качества соединения разнородных материалов и определяется физико-химическим свойствами зоны соединения.

Очевидно, что на сегодняшний день не достаточно использования существующих методов определения физико-химических процессов в основе которых расчет и определение характеристик происходит на микро и макро уровнях. Для более глубокого изучения механизмов соединения, необходимо переходить на атомарный (нано) уровень измерения с описанием и созданием новых методов определения физико-химических процессов, протекающих при образовании биметаллических соединений в многокомпонентных материалах.

Проведенный анализ уровня теории и прикладных исследований по проблеме образования соединений между разнородными металлами и сплавами позволил установить, что существующие теоретические и технологические подходы основаны на различных гипотезах образования межатомных связей в биметаллах и не учитывают пространственного строения, энергетического и фазового состояния взаимодействующих материалов и атомов их химических элементов. Бесспорно то, что для образования соединения между разнородными материалами на межатомном уровне требуются затраты внешней энергии, а длительность технологического процесса соединения и его термический цикл будут определять структуру, свойства и работоспособность получаемых биметаллических изделий что свидетельствует об актуальности темы.

Целью работы является - исследование образования металлической связи при получении биметаллов на основе кинетики взаимодействия атомов.

Решались следующие задачи:

■ Исследовать биметаллические соединения многокомпонентных материалов с металлической связью;

■ Определить условия взаимодействия энергетических оболочек атомов металлов при образовании металлических связей;

■ Разработать математическую модель взаимодействия атомов в многокомпонентных материалах (далее ММВАММ), учитывающую образование межатомных связей металлов и сплавов;

■ Разработать программный комплекс на основе ММВАММ для расчета энергии активации диффузии и коэффициента диффузии элементов участвующих в образовании биметаллического соединения;

■ Разработать методику определения размеров переходной зоны биметаллов методом термо-ЭДС.

Научная новизна:

• Разработаны математическая модель взаимодействия атомов в многокомпонентных материалах и программный комплекс на ее основе для расчета коэффициента диффузии и энергии активации атомов химических элементов металлов и сплавов.

• Впервые расчетным путем были рассчитаны коэффициенты диффузии и энергии активации атомов химических элементов А§, Си, Бе, Со, №, Сг.

• Разработана новая методика определения размеров переходной зоны биметаллов на основе термо-ЭДС.

Практическая значимость. Данная модель позволит прогнозировать характеристики новых (проектируемых) биметаллических конструкций, а так же поможет выбрать оптимальное сочетание легированных элементов и режимов соединения при изготовлении биметаллических и многослойных конструкций.

Созданный программный комплекс может бьггь использован Государственными корпорациями для получения биметаллических соединений с особыми свойствами.

Созданный программный комплекс дает возможность проведения экспресс анализа по подбору соединяемых материалов отвечающих заданный параметрам, с учетом экономического положения и цен на металлы, с целью уменьшения себестоимости производимых аппаратов для переработки углеводородов.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на Ш Научно-практической Конференции «Проблемы механики и материаловедения» (Ижевск 2006); 7-и всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (Москва 2007); IV Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск 2008); V Международной научно-практической конференции и выставке "Нанотехнологии - производству" (Фрязино 2008).

Публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в восьми научных трудах, в т.ч. 1 работа опубликована в издании рекомендованным ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 130 страницах, 41 рисунков, 6 таблиц, а также библиографию из 90 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении указана актуальность работы, формируется ее цель, раскрывается научная новизна.

В первой главе рассмотрен процесс образования соединений между разнородными металлическими материалами, в виде двух отдельных функционально взаимосвязанных между собой этапа: технологического (рисунок 1 А и Б) и физико-химического (рисунок 1 В и Г). На технологическом этапе создаются температурносиловые условия сближения соединяемых материалов до межатомного расстояния и активации атомов на взаимодействующих поверхностях. Физико-химический этап заключается во взаимодействии атомов двух материалов и обобществлении валентных электронов. Это обусловлено тем, что именно обобществление валентных электронов с учетом свободных электронов приводит к образованию межатомных связей в металлических материалах.

Рисунок 1 Схема образования металлической связи между разнородными металлическими материалами на стадии физического контактирования (а); активации атомов (б); химического (в) и объемного (г) взаимодействий

Приведен обзор литературных данных, который показал, что плавление металлов в большинстве случаев происходит без радикального изменения электронного строения атомов.

Таким образом, основной особенностью физико-химического взаимодействия твердой или жидкой фаз является переход элементов основного твердого металла в расплав под действием процессов растворения, диспергирования и плавления. Их скорость зависит от интенсивности диффузии атомов.

Сванте Аррениус вывел каким образом Еа— энергия активации и Т— температура влияют на коэффициент диффузии Б:

£) = Ц, • ехр(- Еа / ЯТ)

(1)

Логарифмируя (1) получаем:

Еа=ЯТ{1п/>-1пД,) . (2)

Г.А. Кораблев предложил определять £> как сумму обратных величин пространственно-энергетических параметров Ро атомов:

-1 = 2

Е„

(3)

Адольф Фик в свою очередь определил зависимость концентрации - С атомов химических элементов от коэффициента диффузии - й где г - радиальная координата, а / - время. £) в данном случае это компонента в сплаве, характеризующий его количество в граммах или молях, перемещающегося через единицу площади (см2) в одну секунду при градиенте концентрации ¿с/л-, равном единице:

Глубину диффузии (рисунок 2) определяем из выражения:

НА-в '1Т ■

Во второй главе разрабатывается ММВАММ для определения коэффициента диффузии и энергии активации металлов и сплавов, для этого рассмотрены два математических метода: молекулярной динамики (далее МД) и Монте-Карло (далее МК).

Ключевым моментом в методах МД и МК является выбор потенциалов межатомного взаимодействия.

На основе кинетики взаимодействия между внешними электронными оболочками атомов химических элементов и их пространственно-энергетических параметров был создан межатомный потенциал.

Предположим, что заряд внешних оболочек атома равномерно распределён на поверхности тонкой сферы радиуса Я\, центрированной на ядре, и компенсируется частью заряда ядра (рисунок 3).

Рассмотрим взаимодействие атомов 1 и 2 с параметрами распределений (Л,,д,) и (Я2,<72) соответственно. Пусть Я расстояние мевду центрами атомов, тогда потенциал межатомного взаимодействия можно представить в виде суммы взаимодействий: оболочек, ядер с оболочками и ядер

?>М. (6)

где <РС, -сг взаимодействие оболочек; *Рс,-п2 ядер с оболочками ^пГс2 и ядер (рщ-п2 .

Условие перекрытия может быть записано в виде неравенства Я < Д, + Я2.

R 2

Рисунок 2 Схема образования переход- Рисунок 3 Схема перекрытия элек-ного слоя в биметалле при взаимной тронных оболочек атомов 1 и 2 диффузии хим. элементов А и В

Каждое из слагаемых уравнения (6) находится путем интегрирования по объему плотности энергии кулоновского взаимодействия, соответствующих электронных распределений.

После выполнения соответствующего интегрирования взаимодействие оболочек будет иметь вид:

Pc,

-,ЯЯ 2

1 1 1 R*+R}+Rl — + — + -----1--

R Д, Я2

(7)

Допустим, что Л, > R1. С учетом уравнения (7) и выполнением интегрирований остальных взаимодействия, межатомный потенциал запишется в виде кусочно-гладкой функции:

2 [д R¡ R2 2ЯЛ,Д2

:>2 . г>2 . 1>2

<?(R) =

4 r

, при R < R2

,Мх 2

ЯЯг

j_+J__Rz + д, + R;

r r-2 2.rrlri 111 r2+r?+rî

r,r2}

, при r2<r< r,

(8)

при Ri<R<Ri+R2

2ЩН1 J

0,при R> Rl+Rг

В случае если взаимодействующие атомы одинаковы, т.е. и R¡=R2, то выражение для межатомного потенциала упрощается, и примет вид:

kq\

J__ l___R_

R Я, 4 Я,2

J__1 R ")

Я, Я 4 Я*}

О, при R i 2R,

,npu 0 < Ri R, при R, < R S 2 Я,

На рисунок 4 представлен вид межатомного потенциала по уравнению (8) и его составные части. Как видно из графика, межатомный потенциал является кусочно-гладкой функцией с изломами в точках Л = и Л = Л2.

I N

\ \

- К

О,Я \ 1 г,о 1.з г,о ( I ■ 2-Я г, Л* 1

-

- III а ^

Рисунок 4 Вид межатомного потенциала (жирная линия) и его составные части: 1 - ^ 2 - ^ 3 - ^ -<рС2, 4 - ^ при Я,=1,5А и

42=1,112=1,0 А

Внутреннюю энергию однокомпонентного кристалла можно представить в виде суммы энергий парных межатомных взаимодействий:

(Ю)

у

где имеет вид уравнения (9), а - параметр решетки.

Условия устойчивости кристаллической решетки при экспериментально наблюдаемом значении параметра решетки а0 и энергии сублимации Е$ могут быть записаны в виде системы уравнений:

с,

Опираясь на известные экспериментальные данные а0 - параметр кристаллической решетки и е,- энергия сублимации были вычислены эффективные атомные радиусы и эффективные заряды ряда химических элементов (таблица 1).

В третьей главе. Подробно описывается алгоритм работы программного комплекса (далее ПК) представленного на рисунке 5.

Используя расчетные данные таблицы 1, были построены потенциалы межатомного взаимодействия представленные на рисунке 6 А, а рисунок 6 Б демонстрирует нам силы взаимодействий, как производные от потенциалов.

Задание начальных условий: Количество частиц, плотность (г/смЗ), Температура (К), размер МД ячейки Н (А), количество МД шагов

Зажиме параметров потенциала межатомного »зшшодсПспня.

2 [Л К, 2ЛЯ,Я, 2 л Я. 2ЙЛ,/1, I

- 1 Л К, Уад у

К*)-

Примамш параметров к бетргаьгрпому акду. Вяутреяяя -ямргая V* »1'.:Уе, платности ц'»Лгсг' -V,

надуй рилус-аеккор* иотожекти этим» г т-'сг. тсчаеретур» Г" - кТ впкгпмеапит-ргнж ¿"' к £ ;Л> скорость пома г' = чц'т^с. эВ.

Генерация сетки коордниат атомов в МД ячейке.

Задание начальных скоростей из распределения Максвелла кли Больцмана

у

Начало интегрирования по времени г»/

Ь IА)-^'^)^'.».><П-Я')-'-.(0-'-7АЬ [

. | !<,У

А',

А'., Р.СЛ-Г.М-*,-. •'.{О-ПМ+Р.М. ПМ-^Н^)-

р1 + +

4<р

С; = -. ¿' = / Л'; Г * ; *=~ Л' * 3. А'

/Г~ постояппа» Больцмапа, -V - число частиц. Конец ннтегрировенш по /.

Рисунок 5 Алгоритм работы программного комплекса

-М-Л/Со-Си -м-А1Си-Си

Рисунок б А потенциалы взаимодействия, Б производная потенциалов (сила)

С точки зрения термодинамики рассматриваемый процесс является изотермическим. Рисунок 7 демонстрирует процесс установления равновесных значений кинетической и потенциальной энергии всей системы. В данном случае эти величины полностью зависят от температуры системы.

Принцип работы ММВАММ рассмотрим на примере N1. На рисунке 8 представлен модельный потенциал взаимодействия атомов N1. Параметры для формирования потенциала взяты из таблицы 1.

Таблица 1 Экспериментальные и расчетные значения ряда хим. элементов

Элемент Экспериментальные данные из литературы Рассчитанные значения

а0,А Е„эВ я,, Л 9/ /е

Ылитий 3,509 1,650 3,5177 0,5014

А£ серебро 4,086 2,960 3,0648 0,6359

Се цезий 6,140 0,827 6,1523 0,4696

V ванадий 3,028 5,300 3,0355 0,8348

Сгхром 2,885 4,100 2,8922 0,7167

Ре железо 2,866 4,290 2,8731 0,7307

>П) ниобий 3,301 7,470 3,3092 1,5566

Мо молибден 3,147 6,810 3,1548 0,9647

\У вольфрам 3,165 8,660 3,1729 1,0909

А1 алюминий 4,049 3,340 3,0370 0,6725

№ никель 3,524 4,435 2,6432 0,7229

Си медь 3,615 3,500 2,7115 0,6504

—о— Кииетичесхая энергия —•— потенциальная энергия

Рисунок 7 Приведение системы к рае- Рисунок 8 Потенциал взаимодействия

новесному состоянию, где N число МД атомов №

шагов

Рисунок 9 демонстрирует внешний вид моделируемой ячейки с периодическими граничными условиями. Количество атомов ячейке составляет N = 792. Для наглядности атомы окрашены в два цвета. Длина ребра ячейки составляет 18 А.

После 60000 МД шагов или интервала времени Л/ = 0,04 с система имеет вид, представленный на рисунке 10. Следует отметить, что к данному моменту времени система находится в равновесном состоянии, т.е. полная энергия системы не изменяется в пределах флуктуации, обусловленных ошибками численного интегрирования уравнений движений атомов, все вычисления происходят в равновесном состоянии.

Рисунок 9 Начальный вид МД ячейки Рисунок 10 Вид после 60000 МД шагов

С помощью среднеквадратичного вектора смещения (12) вычисляется коэффициент диффузии:

. (12)

Впервые расчетным путем были получены коэффициенты диффузии и энергии активации Си и элементов составляющих основной хим. состав сталей 12ХМ, 12Х18Н10Т, 38ХЮМФА и ВЗК (рисунок 11).

А построенные на этих данных графики позволили выявить зависимость энергии активации и коэффициента диффузии от температуры.

Наложение известных экспериментальных данных коэффициентов диффузии меди и серебра на расчетные свидетельствует о достоверности и возможности применения написанного ПК на базе ММВАММ для конкретного ряда задач по вычислению характеристик биметаллических соединений.

Необходимо отметить, что в созданной математической модели используется ЫУТ ансамбль, следовательно, уравнения движения имеют вид:

Л т,

у Р1 Г2-т,

_ аи

'Л От,'

(13)

где Л - требуемая кинетическая энергия, сила, и - потенциальная энергия.

Одновременный учет энергетического состояния взаимодействующих атомов и их размеров позволил впервые разработать математическую модель взаимодействия атомов в многокомпонентных материалах для определения энергии активации и коэффициент диффузии атомов химических элементов участвующих в образовании соединения разнородных материалов, с учетом концентрации всех химических элементов (рисунок 12).

Предполагая, что химический состав на всей поверхности соединяемых материалов постоянный, с помощью программного комплекса были смоделированы образования металлических связей между многокомпонентными материалами 12ХМ+ 12Х18Н10Т и 38ХНЗМФА+ВЗК.

Программный комплекс позволяет определять изменение коэффициента диффузии конкретного элемента в зависимости от комбинации других элементов и с учетом их концентрации. Данное обстоятельство дает основание предполагать, что разработанную математическую модель, возможно применять при создании новых сплавов, поскольку она дает возможность рассчитывать оптимальную комбинацию атомов химических элементов.

Подставляя полученные данные в выражение (5) были рассчитаны размеры зон соединяемых материалов Н|=8,2|1т и ЬЬ=14,1цт (рисунок 12).

Рисунок 11 Расчетные данные коэффициента диффузии и энергии активации Си, Ре, Со, —»— Сг, Ж, где коэффициент диффузии, —°— энергия активации, а V экспериментальные значения

Рисунок 12 Моделирование переходной зоны биметаллов 12ХМ+ 12Х18Н10Т и З8ХНЗМФА +ВЗК, где расчетная ширина зон составила // Н. 2j.it}} и Н2=14,1 рт.

В четвертой главе. На основании проведенных теоретических исследований были выбраны материалы и методы их соединения (рисунок 12) для экспериментальных исследований и подтверждения работоспособности ММВАММ.

Рисунок 12 А Образец №1 Сталь 12ХМ + Тр321 АБТМ (12Х18Н10Т) сварка взрывом, не термообработанный, ВВ Аммиачная селитра + ДТ (96/4) Д=2400 м/с; г =-1,3 Б Образец №2 Оболочка 38ХНЗМФА + ВЗК, электродуговая наплавка

Для подтверждения адекватности разработанной ММВАММ и определения ширины переходной зоны в биметаллах была разработана методика определения размеров переходной зоны биметаллов, по показаниям термоэлектродвижущей силы.

На рисунке 13 представлена схема измерения термо-ЭДС.

1 - зонд (вольфрамовый электрод);

2 - стальная втулка с гнездом;

3 - стопорные винты;

4 - печь;

5 - обойма, к которой крепится вольфрамовый электрод;

6 - цифровой измеритель температуры;

7 - микровольтметр;

8 - исследуемый образец.

В'

Рисунок 13 Схема измерения термо-ЭДС '

Сущность метода заключается в регистрации термо-ЭДС, возникающей в электрической цепи, образованной двумя различными проводниками, когда спаи этих проводников находятся при различных температурах. При наличии градиента температур в зоне контакта двух металлов, в связи с тем, что горячий металл обладает большей энергией, чем холодный, возникает термодиффузия электронов в сторону меньших энергий - от горячего участка к холодному.

Исследования природы термо-ЭДС показывают, что она довольно точно характеризует термодинамическое состояние металла. Так искажение кристаллической решетки железа, обусловленное внедрением углерода, азота или легированием другими элементами, сдвигают значения термо-ЭДС в отрицательную область. Появление в ферритной матрице новых фаз (цементита и легирующих элементов), изменяет значение термо-ЭДС не только по величине, но и по знаку. Так, если по отношению к вольфраму термо-ЭДС ферритной фазы положительна, то аустенита и цементита - отрицательна и определяется суммарным содержанием легирующих элементов в твердом растворе. Измерения термо-ЭДС проводились по 3-5 раз для каждого из образцов. Среднестатистические графики измерений представлены на рисунке 13.

Высокое содержание никеля и хрома в стали 12Х18Н10Т и сплаве ВЗК сдвигает показания термо-ЭДС в отрицательную зону по отношению к сталям перлитного класса 12ХМ и 38ХНЭМФА, что наглядно показывают диаграммы изменений термо-ЭДС образцов биметаллов. Поскольку термоэлектродвижущая сила меняется от химического состава, то зная шаг измерения 5 цм и диаметр зонда 1 цм можно определить размер переходной зоны.

12Х18Н10Т

Рисунок 13 Результаты измерений Термо-ЭДС. Шаг измерений 5рм А образец 1 переходная зона Н1=8/ш, Б Образец 2переходная зона Нг=13,5 цм

Для исследования образцов за эталон был проведен зондовый микрорент-геноспектральный анализ, благодаря которому были получены данные по концентрации химических элементов в зоне соединения и установлены ее размеры.

Силовой микроскоп 8о1уег-Р47 отчетливо показал границы соединения без заметных дефектов. Были определены 3 участка границы для микрорентге-носпектрального анализа (рисунок 14, 15).

Микрорентгеноспектральный анализ один из экспериментальных методов позволяющий эффективно изучать зоны соединения в биметаллах, поскольку по его результатам количественно определяется содержание элементов и их распределение по сечению или длине образца или слоя. На рисунке 16 показаны переходные зоны первого участка, где были выбраны по 5 точек.

Рисунок 16 Переходные зоны образцов 1 слева и 2 справа, а так же выбор 5-и точек для измерений с шагом 2цт для 1-ого образца и 3/ит для 2-ого

Данные по изменение содержания химических элементов в переходной зоне от основного слоя к плакирующему, определенные микрорентгеноспектраль-ным анализом в выбранных участках представлены на рисунке 17.

|

Рисунок 17 Изменение содержания химических элементов в переходной зоне от основного слоя, к плакирующему, слева образец 1, справа образец 2

Таблица 2 Сводная таблица размеров переходной зоны цм

Анализ ширины переходной зоны Образец №1 Образец №2

Расчет 8,2 14,1

Термо-ЭДС 8 13,5

Микрорентген оспектральный анализ 7,7 14

Сопоставление полученных результатов (таблица 2) позволяет говорить о том, что разработанная математическая модель взаимодействия атомов в многокомпонентных материалах обеспечивает возможность расчетным путем рассчитывать коэффициент диффузии и энергию активации не только монометаллов, но сплавов.

Разработанная методика определения размеров переходной зоны биметаллов методом термо-ЭДС адекватно отражает изменение химического состава в зоне соединения биметаллов, позволяя выявить размеры переходной зоны, между соединенными материалами и может использоваться для оптимизации технологических параметров получения биметаллов.

и

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

• На основе кинетики взаимодействия атомов на границе соединения материалов при получении биметаллов определены условия образования металлической связи - сумма эффективных атомных радиусов должна быть больше расстояния между центрами атомов.

• Разработаны математическая модель взаимодействия атомов в многокомпонентных материалах и программный комплекс на ее основе для расчета коэффициента диффузии и энергии активации атомов химических элементов металлов и сплавов.

• Впервые расчетным путем определены: величина энергии активации и коэффициенты диффузии химических элементов биметаллов 12ХМ+12Х18Н10Т и ВЗК+ 38ХЮМФА и определена ширина переходного слоя в данных биметаллах.

• Разработана методика определения размеров переходной зоны биметаллов методом термо-ЭДС и определены экспериментально ширина зоны с металлической связью биметаллов 12ХМ+12Х18Н10Т и ВЗК+ 38ХШМФА с погрешностью менее 4%.

• Определено распределение концентрации химических элементов переходного слоя биметаллических конструкций 12ХМ+12Х18Н10Т и ВЗК+ 38ХЮМФА, на основе микрорентгеноспектрального анализа, что согласуется с расчетными данными.

ПУБЛИКАЦИИ

1. Ким С.Л. Кинетика межатомных связей // Объединенный научный журнал. М.: 2006. №21. С.26-42.

2. Ким С.Л., Дементьев В.Б., Соловьев С.Д. Математическое моделирование образования межатомных связей в биметаллических соединениях // Химическая физика и мезоскопия. 2008. Т.10, №4. С. 419-427.

3. Ким С.Л., Дементьев В.Б., Соловьев С.Д. К вопросу математического моделирования образования биметаллов, применяемых на объектах нефтегазового комплекса // Потенциал. 2008. №5. С.25-27.

4. Ким С.Л. Математическая модель взаимодействия атомов // Наука Удмуртии. 2008. №6. С.98-102.

5. Ким С.Л. Исследование кинетики взаимодействия атомов на межфазной границе стали и жаропрочного сплава // Тезисы докл. Ш НПК «Проблемы механики и материаловедения». Ижевск: ИПМ УрО РАН, 2006. С.255-257.

6. Ким СЛ. Кинетика образования межатомных связей в биметаллах // Тезисы докл. 7 Всерос. НТК «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» М.: ООО «Невес», 2007. С. 377.

7. Соловьев С.Д., Ким С.Л., Дементьев В.Б. Теория образования и технология получения биметаллических цилиндрических деталей // Тезисы докл. IV Междунар. НТК «Современные проблемы машиностроения». Томск : Изд-во ТПУ, 2008. С.234-237.

8. Соловьев С.Д., Ким С.Л., Дементьев В.Б. Биметаллические изделия с диффузионной связью материалов // Тезисы докл. V Междунар. НТК и выставке "Нанотехнологии - производству-2008" М.: «Янус-К», 2008. С.14-15.

Подписано в печать «18» января 2010 г. Бумага офсетная. Формат 60*84/16 Объем 1,2 п.изд.л. Тираж 100 экз. Отпечатано в ИПМ УрО РАН 426067, г.Ижевск, ул.Т.Барамзиной, 34

Введение

Глава 1. Соединения между разнородными металлическими материалами

1.1. Области применения и требования, предъявляемые к биметаллическим соединениям

1.2. Физико-химические процессы при образовании биметаллических соединений

1.3. Методы анализа и расчета основных характеристик зон соединения в биметаллах

Выводы по главе

Глава 2. Методы молекулярной динамики и Монте-Карло в приложении к исследованию межатомной кинетики в биметаллах

2.1. Определение энергии активации диффузии, самодиффузии и коэффициента диффузии методом молекулярной динамики

2.2. Использование метода Монте-Карло для расчетов характеристик атомно-молекуляроного ансамбля биметаллических соединений

2.3.Потенциалы взаимодействия 47 Выводы по главе

Глава 3. Разработка программного комплекса для расчета основных параметров биметаллических соединений

3.1. Концепция построения программного комплекса

3.2. Структура входных данных

3.3. Определение потенциала взаимодействия и внутренней энергии

3.4. Расчет коэффициента диффузии и энергии активации 86 Выводы по главе

Глава 4. Апробация разработанной математической модели

4.1. Образцы биметаллических соединений

4.2. Методы получения образцов 97 4.3 Исследование образцов методами сканирующей оптической и зондовой микроскопии

4.4. Разработка методики определения размеров переходной зоны методом термоэлектродвижущей силы (термо ЭДС)

4.5 Микрорентгеноспектральный анализ

Выводы по главе

Освоение углеводородов и других полезных ископаемых привело к цепной реакции развития человечества.

Каждый день возникает потребность в новых более совершенных материалах, а так же в их усовершенствовании (увеличении предела текучести, пластичности износостойкости, коррозионной стойкости и т.д.). Между тем, природные запасы некоторых металлов очень малы, что делает их редкими и дорогостоящими.

Сократить использование редких дорогостоящих металлов, при этом производя необходимое для обеспечения нарастающего спроса количество изделий с использованием этих металлов, позволяют биметаллические конструкции.

Биметалл представляют собой два разнородных металла или сплава неразрывно соединенных между собой на атомарном уровне путем диффузии. Основной металл несет на себе нагрузку конструкции (изделия), а плакирующий слой, в хим. состав которого входят дорогостоящие металлы, контактирует с рабочей поверхностью. Таким образом, изделие из биметалла экономит свыше 90% дорогостоящего материала.

Отличительной особенностью биметалла от двухслойных конструкций является наличие атомарных связей [1].

Изучением процессов получения биметаллических конструкций занимаются многие институты и ученые по всему миру. В нашей стране этими вопросами занимались и занимаются такие ученые как: К.Е. Чарухина, С.А. Голованенко, В.А. Мастеров, Н.Ф. Казаков, В.Р. Рябов, В.И. Лысак, И.Е. Лапин, Ю.А. Гордополов, Л.Б. Первухин, В.Б. Дементьев, С.Д. Соловьев и многие другие.

Стоит отметить огромный накопленный опыт по производству биметаллов и происходящих при этом процессов.

Однако, несмотря на внушительный опыт, на сегодняшний день невозможно точно предсказать качество сварного соединения (взаимная растворимость, коэффициент диффузии, структура и т.д.), если химический состав одного из соединяемых материалов был изменен. Для этого необходимо изготовить образец, а затем провести ряд испытаний, что влечет за собой массу потерь по времени, трудозатратам и финансовым составляющим. Это один из основных факторов сдерживающих появление новых биметаллических конструкций с новыми металлами и сплавами.

Очевидно, что на сегодняшний день недостаточно использования существующих методов определения физико-химических процессов, в основе которых расчет и определение характеристик происходит на микро и макро уровнях. Для уменьшения трудозатрат, времени и финансовых составляющих необходимо переходить на атомарный (нано) уровень измерения с описанием и созданием новых моделей и методов определения физико-химических процессов, протекающих при образовании биметаллических соединений и многокомпонентных материалов.

Цель работы - исследование образования металлической связи при получении биметаллов на основе кинетики взаимодействия атомов.

Задачи

1. Исследовать биметаллические соединения многокомпонентных материалов с металлической связью;

2. Определить условия взаимодействия энергетических оболочек атомов металлов при образовании металлических связей;

3. Разработать математическую модель взаимодействия атомов в многокомпонентных материалах (далее ММВАММ), учитывающую образование межатомных связей металлов и сплавов;

4. Разработать программный комплекс на основе ММВАММ для расчета энергии активации диффузии и коэффициента диффузии элементов участвующих в образовании биметаллического соединения;

5. Разработать методику определения размеров переходной зоны биметаллов методом термо-ЭДС.

Научная новизна

1. Разработаны математическая модель взаимодействия атомов в многокомпонентных материалах и программный комплекс на ее основе для расчета коэффициента диффузии и энергии активации атомов химических элементов металлов и сплавов.

2. Впервые расчетным путем были получены коэффициенты диффузии и энергии активации атомов химических элементов Ag, Си, Fe, Со, Ni, Сг.

3. Разработана новая методика определения размеров переходной зоны биметаллов на основе термо-ЭДС.

Практическая значимость

Данная модель позволит прогнозировать характеристики новых (проектируемых) биметаллических конструкций, а так же поможет выбрать оптимальное сочетание легированных элементов и режимов соединения при изготовлении биметаллических и многослойных конструкций.

Созданный программный комплекс может быть использован государственными корпорациями для получения биметаллических соединений с особыми свойствами.

Созданный программный комплекс дает возможность проведения экспресс анализа по подбору соединяемых материалов отвечающих заданный параметрам, с учетом экономического положения и цен на металлы, с целью уменьшения себестоимости производимых аппаратов для переработки углеводородов.

Апробация результатов исследования

Результаты работы были представлены на III Научно-практической конференции «Проблемы механики и материаловедения» (Ижевск, 2006); 7-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2007); IV Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2008); V Международной научно-практической конференции и выставке "НАНОТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВУ 2008" (Фрязино, 2008).

Публикации

Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в восьми научных трудах, в т.ч. 1 работа опубликована в журнале «Химическая физика и мезоскопия» рекомендованном ВАК России.

Автор выражает особую признательность научному руководителю, д.т.н., ст.н.с. В.Б. Дементьеву (ИПМ УрО РАН); благодарность за изготовление образцов биметаллических конструкций д.т.н., профессору Л.Б. Первухину (ИСМАН) и к.т.н. С.Д. Соловьеву (ИжГТУ), а так же за содействие в проведении испытаний д.т.н., профессору В.Я. Баянкину (ФТИ УрО РАН).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 130 страницах, 41 рисунков, 6 таблиц, и содержит библиографию из 91 наименования.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

• На основе кинетики взаимодействия атомов на границе соединения материалов при получении биметаллов определены условия образования металлической связи — сумма эффективных атомных радиусов должна быть больше расстояния между центрами атомов.

• Разработаны математическая модель взаимодействия атомов в многокомпонентных материалах и программный комплекс на ее основе для расчета коэффициента диффузии и энергии активации атомов химических элементов металлов и сплавов.

• Впервые расчетным путем определены: величина энергии активации и коэффициенты диффузии химических элементов биметаллов 12ХМ+12Х18Н10Т и ВЗК+ Э8ХНЗМФА и определена ширина переходного слоя в данных биметаллах.

• Разработана методика определения размеров переходной зоны биметаллов методом термо-ЭДС и определены экспериментально ширина зоны с металлической связью биметаллов 12ХМ+12Х18Н10Т и ВЗК+ З8ХНЗМФА с погрешностью менее 4 %.

• Определено распределение концентрации химических элементов переходного слоя биметаллических конструкций 12ХМ+12Х18Н10Т и ВЗК+ З8ХНЗМФА, на основе микрорентгеноспектрального анализа, что согласуется с расчетными данными.

1. Производство биметаллических труб и прутков / Под ред. В .Я. Остренко М. : Металлургия, 1986. 240 с.

2. Словарь-справочник по сварке / Под ред. К.К. Хренова. Киев : Наукова думка, 1974. 195 с.

3. Голованенко С.А. Сварка прокаткой биметаллов. М. : Металлургия, 1977. 160 с.

4. Григорович В.К. К электронной теории строения жидких металлов. М. : Наука, 1964. 235 с.

5. Соловьев С.Д., Дементьев В.Б. Кинетика образования межатомных связей в биметаллах. Ижевск : ИПМ УрО РАН, 2006. С. 152.

6. Вайнерман А.Е., Шоршоров М.Х., Веселков В.Д., Новосадов B.C. Плазменная наплавка металлов. М. : Машиностроение, 1969. 192 с.

7. Петрунин И.Е., Маркова И.Ю., Екатова А.С. Металловедение пайки. М. : Металлургия, 1976. 264 с.

8. Долгов Ю.С., Сидихин Ю.Ф. Вопросы формирования паяного шва. М. : Машиностроение, 1973. 136 с.

9. Вайнерман А.Е., Сютьев А.Н. Исследование образования прослоек в зоне сплавления при взаимодействии жидких медных сплавов со сталью // Автоматическая сварка. 1971. №12. С. 18-21.

10. Новосадов B.C., НуждинА.А., Шоршоров М.Х. Анализ уравнения гетерогенной диффузии примеси в процессах взаимодействия твердой и жидкой фаз // Физика и химия обработки материалов. 1968. №1. С. 42-48.

11. Буравлев Ю.М., Троцан А.Н., Милославский А.Г. и др. Влияние условий получения биметалла на структуру диффузионной зоны // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1986. №3. С. 114-117.

12. Рябов В.Р., РабкинД.М., КурочкоР.С., Стрижевская Л.Г. Сварка разнородных металлов и сплавов. М.: Машиностроение, 1984. 239 с.

13. Соловьев С.Д. Кинетическая модель образования биметаллических материалов // Тез. докл. Конф. мол. уч. "Численные методы в математике и механике". Ижевск : ИПМ УрО РАН, 2007. С.87-88.

14. Чуларис А.А., Михайлова М.М. Критерии диспергирования при жидкофазном взаимодействии в процессе пайки // Сварочное производство. 1995. №4. С. 11-13.

15. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка в вакууме. М. : Машиностроение, 1968. 331 с.

16. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М. : Металлургия, 1978. 567 с.

17. Уманский Я.С., Финкелыптейн Б.Н., Блантер М.Е. и др. Физические основы металловедения. М. : Металлургия, 1955. 724 с.

18. Бокштейн С.З. Диффузия и структура металлов. М. : Металлургия, 1973. 208 с.

19. Грабский М.В. Структура границ зерен в металлах / Пер. с польс. / Под ред. M.JI. Бернштейна. М. : Металлургия, 1972. 160 с.

20. Герцрикен С.Д., Дихтяр И.Я. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе. М.: Физматгиз, 1960. 256 с.

21. Лариков Л.Н., Рябов В.Р., Фальченко В.М. Диффузионные процессы в твердой фазе при сварке. М.: Машиностроение, 1975. 192 с.

22. Соловьев С.Д., Кораблев Г.А., Кодолов В.И. Расчет энергии активации объемной диффузии и само диффузии элементов в твердых телах // Химическая физика и мезоскопия. 2005. Т. 7, №1. С. 31-40.

23. Соловьев С.Д., Кораблев Г.А. Физико-химические основы образования биметаллических соединений // Вестник ИжГТУ. 2006. №1. С. 34-39.

24. Кораблев Г.А., Соловьев С.Д., Дементьев В.Б. Растворимость компонентов в металлической системе Co-W-Ni-Cr-Fe // Химическая физика и мезоскопия. 2004. Т. 6, №1. С. 28-40.

25. Шоршоров М.Х., Ерохин А.А., Чернышева Т.А. Горячие трещины при сварке жаропрочных сплавов. М. : Машиностроение, 1973. 224 с.

26. Земзин В.Н. Сварные соединения разнородных сталей. М. : Машиностроение, 1984. 239 с.

27. Хеерман Д.В. Методы компьютерного эксперимента в теоретической физике. М. : Наука, 1990. 175 с.

28. Годунов С.К., Рябенький B.C., Разностные схемы. М. : Наука, 1973. 440 с.

29. Wood W., Parker К. "Monte Carlo equation of state of molecules interacting with the Lennard-Jones potential" // Chem. Phys. 1957. Vol. 27. C. 720.

30. Дефекты в кристаллах и их моделирование на ЭВМ / Под ред. А.Н. Орлова : сб. статей. Л. : Наука, 1980. 213 с.

31. Экштайн В. Компьютерное моделирование взаимодействия частиц с поверхностью твердого тела. М. : Мир, 1995. 319 с.

32. Daw M.S., Baskes M.L. "Atomic Scale Calculations in Materials Science" // Phys. Rev. Lett. 1983. Vol.50. P. 1285.

33. Харрисон У. Псевдопотенциалы в теории металлов. М. : Мир, 1968. 366 с.

34. Хейне В., Коэн М., Уэйр Д. Теория пвсевдопотенциала. М. : Мир, 1973. 557 с.

35. Краско Г.Л., Махновецкий А.Б. Метод пвсевдопотенциала и проблема упорядочения сплавов // ФТТ. 1973 .Т. 15. С. 3114-3116.

36. Слеттер Дж. Методы самосогласованного поля для молекул и твердых тел. М.: Мир, 1978. 347 с.

37. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1978. 792 с.

38. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. Приложения. М.: Металлургия. 1970. 107 с.

39. Смитлз К.Дж. Металлы : справочник. М. : Металлургия. 1980. 447 с.

40. Орлов А.Н., Трушин Ю.В. Энергии точечных дефектов. М. : Энергоатомиздат. 1983. 82 с.

41. Вол А.Е. Строение и свойства двойных металлических систем : справ, рук. в 4-х томах М. : Физматгиз. 1962. 756 с.

42. Хансен М., Андреко К. Структурные свойства двойных сплавов : Справ, в 2-х томах М. : Металлургия. 1962. 1488 с.

43. Эллиот Р.П. Структуры двойных сплавов / Под ред. М.И. Новикова и И.Л. Рогельберга : справ, в 2-х томах М. : Металлургия. 1970. 928 с.

44. Баранов М.А., Старостенков М.Д. Расчет равновесных свойств металлических систем в квазиклассическом приближении. Деп. в ВИНИТИ. 1984. №3712-84. 31 с.

45. Баранов М.А., Старостенков М.Д. Квазиэлектростатический подход к описанию металлических систем / Препринт. Барнаул : Изд-во АлтГТУ 1998. 40 с.

46. Урусов B.C. Теория изоморфной смесимости. М. : Наука, 1977. 265 с.

47. Филиппов Е.С. Анализ межатомных связей в металлах на основе максимального и минимального радиусов атома // Известия вузов. Черная металлургия, 2008. №9. С.3-6.

48. Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. М. : Металлургия, 1984. 360 с.

49. Эпштейн Г.Н. Строение металлов деформированных взрывом. М. : Металлургия, 1988. 280 с.

50. Бернштейн М.Л. Структура деформированных металлов. М. : Металлургия, 1977. 431 с.

51. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. М. : Металлургия, 1979. 495 с.

52. Борздыка A.M., Гецов Л.Б. Релаксация напряжений в металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1978. 256 с.

53. Гордеева Т.А., Жегина И.П. Анализ изломов при оценке надежности материалов. М.: Машиностроение, 1978. 199 с.

54. Гельман А.С. Основы сварки давлением. М. : Машиностроение, 1970. 312 с.

55. Лысак Н.И. Кузьмин С.В. Сварка взрывом. М. : Машиностроение, 2005. 544 с.

56. Чарухина К.Е., Голованенко С.А., Мастеров В.А., Казаков. Н.Ф. Биметаллические соединения. М. : Металлургия, 1970. С. 116-117.

57. Конин Ю.А., Первухин Л.Б., А.Д. Чудновский. Сварка взрывом. М. : Машиностроение, 1987. 216 с.

58. Захаренко И.Д. Сварка металлов взрывом. Минск. : Наука и техника, 1990. 205 с.

59. Дерибас А.А. Физика упрочнения и сварка взрывом. Новосибирск : Наука, 1972. 188 с.

60. Филимонов Л.Н. Плоское шлифование / Под ред. В.И. Муцянко. Л. : Машиностроение, 1985. 109 с.

61. Егоров М.Е., Дементьев В.И., Дмитриев В.Л. Технология машиностроения. М.: Высшая шк., 1976. 534 с.

62. Дерибас А.А. Физика упрочнения и сварка взрывом. Новосибирск : Наука, 1972. 188 с.

63. Чупин Ю.Б. Опыт освоения импульсной МИГ // Сварка в Сибири. 2002. №2. С. 10-15.

64. Соловьев С.Д., Дементьев В.Б. Исследование структуры и фазового состава слоев, наплавленных из порошковых компонентов твердых сплавов // Химическая физика и мезоскопия. 2004. Т. 6, №1. С. 90-99.

65. Рыбаков В.К., Рыбаков Д.В., Страхов В.А. О восстановлении и упрочнении деталей арматуры и вспомогательного оборудования ТЭС // Энергетик. 1998. №10. С. 28-29.

66. Фрумин ИИ, Юзвенко Ю.А., Лейначук Е.И. Технология механизированной наплавки. М.: Высшая школа, 1964. 306 с.

67. Вайнерман А.Е. Шоршоров М.Х., Веселков В.Д, Новосадов B.C. Плазменная наплавка металлов. М.: Машиностроение, 1969. 192 с.

68. Кудинов В.В., Иванов В.М. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. М.: Машиностроение, 1981. 192 с.

69. Соловьев С.Д. Кинетика взаимодействия разнородных сплавов на межфазной границе при центробежной электродуговой наплавке // Химическая физика и мезоскопия. 2004. Т. 6, № 1. С. 100-114.

70. Барвинок В.А., Китаев Ф.И., Цидулко А.Г. и др. Остаточные напряжения в покрытиях плазменного напыления, нанесенных на внутреннюю поверхность кольца// Сварочное производство. 1981. №5. С. 11-13.

71. Блат Дж., Шредер П.А. Термоэлектродвижущая сила. М. : Металлургия, 1980. 275 с.

72. Пирогова Г.Д. Современные методы исследования структуры металлов. С.-Пб.: Изд-во СЗПИ, 1997. 60 с.

73. Штенников B.C. Центробежная электрошлаковая наплавка заготовок биметаллических подшипников скольжения. Сварочное производство Удмуртии / Под ред. B.C. Штенникова, В.П. Ильина : науч.-техн.сб. Ижевск : Изд-во ИжГТУ. 1997. С. 47-49.

74. Ткачев В.Н., Ваган А.В. Особенности образования износостойкого слоя при центробежной индукционной наплавке сплава сормайт // Автоматическая сварка. 1974. №12. С. 42-44.

75. Производство биметаллических труб и прутков / Под ред. В. Я. Остренко М.: Металлургия, 1986. 240 с.

76. Кнорозов Б.В. Технология металлов. М. : Металлургия, 1978. 880 с.

77. Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н. Методы поверхностной лазерной обработки / Под ред. А.Г. Григорьянца. М.: Высшая школа, 1987. 191 с.

78. Сварка в машиностроении / Справочник в 4 томах / Под ред. Н. А. Ольшанского. М.: Машиностроение, 1978. Т.1. 504 с.

79. Трофимова Т.И. Курс физики. М. : Высшая школа, 1990. 478 с.

80. Методика неразрушающего контроля металлов и сплавов прибором Термотест. Томск : НПК «РИПС», 2000. 11 с.

81. Стеклова Е.О., ЕфименкоЛ.А. Оценка структурного состояния и неоднородности сварных соединений трубных сталей методом термо-э.д.с. // Территория нефтегаз. 2008. № 4. С. 34-39.

82. Кузнецов И.А. Влияние холодной пластической деформации и отжига на структура и свойства металлов. Екатеринбург : ИПЦ «Издательство УрГУ», 2004.51 с.

83. Маркин Ю.В., ФруминИ.И. Жаропрочные сплавы для армирования фаски клапана двигателя внутреннего сгорания // Автоматическая сварка. 1972. № 11. С. 49-51.

84. Шмыков А.А. Справочник термиста. М. : Машгиз, 1961. 392 с.

85. Масленков С.Б. Применение микрорентгеноспектрального анализа. М. : Металлургия, 1968. 110 с.

86. Ефименко JI.A., Прыгаев А.К., Елагина О.Ю. Металловедение и термическая обработка сварных соединений. М. : Логос, 2007. 456 с.

87. Колмаков А.Г., Алымов М.И. Особенности свойств наноматериалов и основные направления их использования // Перспективные материалы. 2006. №5. С 1-2.

88. Бокштейн Б.С., Векслер Ю.Г., Дроздовский Б.А., JI.M. Капуткина и др. Металловедение и термическая обработка стали и чугуна / справ изд. в 3-х томах. М. : Инструмент инжиниринг, 2004. Т.З С. 640-645.

89. Вайнерман А.Е. О процессах растворения и диффузии на межфазной границе при взаимодействии разнородных металлов // ГореликАвтоматическая сварка. 1976. №12. С. 15-19.

90. Сережкин В.Н., Пушкин Д.В. Кристаллохимические радиусы и координатные числа атомов / Уч. пособие. Самара : Изд-во Сам. ун-та, 2004. 61 с.

91. А.В. Вахрушев, A.M. Липанов. Моделирование физико-механических процессов порошковых прессованных металлокомпозитов / Ижевск: Изд-во ИПМ УрО РАН, 2003. 278 с.