Методы определения параметров граничной диффузии. Теория и экспериментальная практика тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ГРАНИЧНОЙ ЛДФФУЗИИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ)

§1.1. Экспериментальные методы изучения граничной диффузии

1.1.1. Локальные методы.

1.1.2. Метод послойного анализа./

§ 1.2. Математические модели граничной диффузии.ZZ

§ 1.3. Проблема диффузионной ширины границ зерен и фаз

§ 1.4. Вывода из обзора. Постановка задачи.

Глава 2. МОДЕЛИ ГРАНИЧНОЙ ДИФФУЗИИ

§ 2.1. Математический анализ модели Фишера.

2.1.1. Несимметричная модель Фишера.

2.1.2. Типы источников на поверхности. Модель диффузии из исчерпаемого источника в условиях быстрой поверхностной диффузии.52.

2.1.3. Классификация режимов диффузионного процесса

2.1.4. Решения исходных уравнений для режимов

С, В£, В2.

2.1.5. Возможность раздельного определения 2) и

§

2.1.6. Диффузия в режимах и

2.1.7. Учет вертикального перемешивания.

2.1.8. Влияние типа источника на поверхности на форму концентрационных кривых.

§ 2.2. Модель диффузии в крупнозернистом поликристалле.

§ 2.3. Диффузия в движущихся границах зерен.

2.3.1. Постановка задачи

2.3.2. Модель диффузии в движущейся границе зерна

2.3.3. Диаграмма режимов диффузии в поликристаллах, содержащих мигрирующие границы.

Глава 3. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ 1В

§ 3.1. Метод полинома для раздельного определения параметров граничной диффузии . .13Г

§ 3.2. Методы расчета произведения Т)^ .1^

3.2.1. Метод функциональных координат./

3.2.2. Метод оС-степени .15Z

Глава 4. ДИФФУЗИЯ ПО ГРАНИЦАМ ЗЕРЕН В НИКЕЛЕ

§ 4.1. Выбор объекта и метода исследования.

§ 4.2. Методика эксперимента.

§ 4.3. Экспериментальные результаты и их обсуждение.

§ 4.4. Оценка точности измерений. вывода.

Диффузионный массоперенос по границам зерен (ГЗ) и фаз (ГФ) контролирует кинетику протекания многих процессов, происходящих в металлах и сплавах при высоких температурах /I/. Прежде всего сюда следует отнести структурные изменения, приводящие к разупрочнению конструкционных материалов. Так, особое значение проблема структурной стабильности приобретает для жаропрочных сплавов.Прогнозирование жаропрочности невозможно без знания диффузионных параметров ГЗ и И, В свою очередь, на эти параметры можно оказывать влияние, изменяя их в нужном направлении, путем создания благоприятной кристаллографической ориентации границ, микролегирования и другими способами. Снижение диффузионной проницаемости указанных границ как правило приводит к повышению их стабильности. С другой стороны, часто из технологических соображений требуется обеспечить достаточную пластичность материала при высоких температурах. Здесь, наоборот, повышение диффузионной проницаемости ГЗ и ГФ способствует облегчению процесса пластической деформации. Известна, например, ведущая роль граничной диффузии в явлении сверхпластичности.

Уже из этих примеров понятна важность развития количественных методов изучения граничной диффузии. Подчеркнем, что кроме этого практического, данная проблема имеет и теоретическое значение. Диффузионные процессы в ГЗ исследованы гораздо меньше,чем соответствующие процессы в кристаллической решетке, а изучение диффузии по ГФ находится еще на начальной стадии. Нет ясных представлений об атомных механизмах граничной диффузии, и одна из главных причин состоит,по-видимому,в том,что пока не удается извлекать достаточно полную информацию об этом явлении из экспериментальных данных. Так, до сих пор не решена проблема независимого определения диффузионной ширины ГЗ и ГФ. Добавим, что диффузионные исследования позволяют получать важные сведения об атомном строении внутренних поверхностей раздела.

Из сказанного ясно,что постоянное совершенствование методов измерения диффузионных характеристик ГЗ и ГФ - необходимо условие прогресса как в самой науке о диффузии, так и в смежных областях. Измерение диффузионных параметров как правило сводится к решению обратной задачи диффузии, т.е. к определению параметров диффузионного процесса по его результатам. Следовательно, совершенствование методов измерения предполагает как разработку новых экспериментальных методик для исследования распределения диффундирующих атомов в изучаемом объекте,так и развитие математических моделей, позволяющих по этим данным расчитать требуемые параметры.

Для граничной диффузии практически все модельные представления и основанные на них методы обработки экспериментальных данных были созданы за одно десятилетие, начиная с 1951 года. Наибольший вклад в данную проблему внесли работы Дж.Фишера, Р.Уиппла, Т.Сузу-ока, Дж.Мартина, В.Т.Борисова, Б.Я.Любова, В.М.Голикова, Г.В.Щер-бединского, Я.Е.Гегузина и других.Однако после выхода в 1963 году обобщающей работы Ле-Клера в этой области сделано мало существенно нового,а количество опубликованных с тех пор работ на эту тему, по-видимому,не превышает и десяти.

Между тем за прошедшие годы созданы новые эффективные экспериментальные методы, обладающие довольно высокой чувствительностью и точностью. Благодаря внедрению методов анализа поверхностей разрешение по глубине удалось довести до нескольких ангстрем. Расширен интервал температур, при которых возможно изучение граничной диффузии. Все чаще опыты проводят в условиях "нестандартных" с точки зрения существующей теории (низкие температуры,малые времена диффузионного отжига). Стали доступными для изучения новые объекты: ГЗ в тонких пленках, в мелкозернистых материалах, ГЗ и ГФ в реальных сплавах. В последние несколько лет началось интенсивное исследование диффузии в движущихся ГЗ.

В связи с этим на данном этапе представляется важным обратить внимание на теорию методов определения параметров граничной диффузии. Требуется критический анализ существующей теории,ее дальнейшее развитие с целью повышения точности,обобщения на новые экспериментальные условия и объекты; особое внимание следует уделить решению принципиально важной проблемы раздельного определения параметров граничной диффузии. Этим вопросам и посвящена данная работа.