Закономерности массопереноса в железе и меди в условиях различных видов импульсных нагружений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

р 7 3 О Д На правах рукописи

2 к НО?

МИРОНОВА Татьяна Федоровна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ МАССОПЕРЕНОСА В ЖЕЛЕЗЕ И МЕДИ В УСЛОВИЯХ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ИМПУЛЬСНЫХ

НАГРУЖЕНИЙ

Специальность 01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САМАРА - 1997

Работа выполнена в Самарском государственном техническом университете, Самарской государственной сельхозакадемии, Институте металлофизики HAH Украины (г. Киев).

Научные руководители:

доктор технических наук

доктор физико-математических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

доктор физико-математических наук

Ведущее предприятие:

Самарский государственный университет

Мазанко В.Ф.

Митлина Л. А.

Юшин В.Д. Гуреев Д.М.

Защита состоится "Г7" декабря 1997 г., в И) часов на заседании специализированного совета Д 063.16.03 в Самарском государственном техническом университете по адресу: 443010, Самара, ул. Галактионовская, д.141, СамГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ.

Отзывы просим направлять в двух экземплярах, заверенных печатью, по адресу: 443010, г. Самара, ул. Галактионовская, 141. Ученому секретарю специализированного Совета Д 063.16.03.

Автореферат разослан "17" ноября 1997 г.

Ученый секретарь специализированного

совета, доктор физико-математических наук,

профессор (/ _ Л.А. Митлина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Диффузия и другие процессы массопереноса роисходят в физических системах в самых разнообразных условиях, [ереоценить роль указанных процессов в науке и технике практически евозможно. Перенос массы определяет формирование и стабильность груктуры и фазового состава, создающих комплекс физико-имических, механических и иных свойств твердых тел. Процессы мас-опереноса, в том числе его частный случай - диффузия, необратимы и :огут происходить как в равновесных, так и в неравновесных условиях, [о если диффузия (массоперенос в стационарных условиях) исследована остаточно хорошо, то массоперенос, инициированный внешними воз-ействиями, является сравнительно новой, недостаточно исследованной роблемой. Трудность исследования процессов массопереноса в услови-х далеких от равновесия определяется сложностью постановки экспе-иментов, неоднозначностью трактовки их результатов и неразработан-остыо теории взаимодействия дефектов структуры в областях импуль-яых напряжений. Это вызвано тем, что массоперенос в существенно еравновесных условиях представляет собой результат одновременного ействия нескольких процессов различной физической природы, вклю-ающих изменение структурного состояния кристалла, образование и елаксацию различных дефектов кристаллической решетки, возникно-ение напряжений и другие эффекты.

Поэтому, исследование процессов массопереноса в металлах в усло-иях различных видов внешних импульсных воздействий представляется ктуальным как с научной точки зрения, так и в прикладном плане.

Целью настоящей работы является изучение на примере ОЦК и ЦК металлов (железа некоторых его сплавов, меди и титана) влияния гмпературы, исходного структурного состояния металла и природы иффундирующего атома на массоперенос и общие закономерности ассопереноса в условиях различных видов импульсного воздействия.

В соответствии с поставленной целью в работе решены следую-ще задачи:

1. Экспериментально исследованы особенности массопереноса 63№ в :елезе, некоторых его сплавах, меди и титане в условиях упругой дефо-мации, импульсного механического и взрывного нагружений при раз-ичных температурах.

2. Исследовано влияние различного исходного структурного состоя-ия и природы диффундирующего атома на массоперенос в указанных еталлах и дано объяснение полученным закономерностям.

3. Рассмотрены источники точечных дефектов и предложен недислокационный механизм образования межузельных атомов в условиях импульсных воздействий.

4. Проведено аналитическое исследование формы концентрационных профилей, полученных в результате массопереноса в широком диапазоне энергии импульсного воздействия.

5. Проанализирована возможность реализации различных механизмов в процессе массопереноса и предложен критерий оценки их вклада.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- экспериментально обнаружено ускорение диффузии в железе, меди и титане в условиях многократного импульсного воздействия упругими волнами.

- изучены особенности фазообразования в железе при насыщении углеродом в этих условиях.

- на основе экспериментальных данных определена энергия миграции атомов при различных видах импульсных нагружений.

- развиты представления о механизмах образования точечных дефектов в металлах в условиях импульсных нагружений.

- предложен критерий оценки вклада различных механизмов в процесс массопереноса.

Практическая ценность работы: Полученные экспериментальные и теоретические результаты свидетельствуют о существенном ускорении процессов переноса и изменении фазового состава в металлах и сплавах в условиях различных видов импульсных воздействий. Это дает возможность разработать методы управления и существенного ускорения процессов, используемых в технологии механико-химико-термической обработки металлов, лимитированных подвижностью атомов в твердой фазе а также получения материалов с новыми эксплуатационными свойствами.

Положения, выносимые на защиту.

1. Воздействие импульса энергии от 2 10 до 2 10 Дж в диапазоне температур 77 н- 300 К приводит к формированию зоны массопереноса в обрабатываемом металле протяженностью 10-30 мкм.

2. Увеличение микронапряжений в исходном состоянии приводит к уменьшению глубины зоны массопереноса в железе и меди в диапазоне

2 3

энергий нагружения 2 10 -г 2 10 Дж, что связано с тормозящим влиянием на процессы массопереноса дислокаций, существующих в исходном состоянии.

3. Энергия миграции атомов никеля в меди и железе при импульсном

1 3

нагружении с энергией 2 10 -г- 2 10 Дж составляет менее 0,05 эВ.

Апробация работы:

Материалы диссертационной работы были доложены и обсуждены

яа:

1. Конференции "Роль диффузии в образовании неразъемных соединений", Киев, 1992 г.

2. III Черкасском семинаре стран содружества "Актуальные вопросы доффузии, фазовых и структурных превращений в сплавах", Сокирне, Черкасская обл., Украина, 1995 г.

3. Симпозиум "Синергетика - 96" III, Москва, ИМет РАН, 1996 г.

4. Международный конгресс "Машиностроительные технологии' 97" Болгария, София, 1997 г.

Публикации: по материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из 4 глав, заключения и списка цитированной литературы. Она содержит 116 страницы машинописного текста, 42 рисунка, 7 таблиц и список литературы из 105 наименований.

Содержание диссертации

Введение: Дана общая характеристика работы, обоснована актуальность и сформулирована цель исследования, раскрыты научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава. Рассматриваются условия проявления ускоренного массоперноса, рассмотрены уравнения, описывающие этот процесс с учетом направленного движения атомов под действием движущей силы.

Обобщены современные представления о природе массопереноса. Большинство из них основаны на использовании диффузионных представлений. Рассмотрено влияние природы атома на его диффузионную подвижность в кристаллической решетке и показано, что этот фактор может оказать существенное влияние на массоперенос при импульсных воздействий. Указаны возможности недиффузионного массопереноса, особенно в нестационарных условиях.

Из проведенного анализа следует, что в настоящее время вопрос о природе массопереноса в металлах в условиях импульсных воздействий в широком диапазоне энергий воздействия требует дополнительного изучения и обобщения.

Вторая глава: Посвящена материалам и методам исследований. Были выбраны материалы с ГЦК и ОЦК решеткой в поликристаллическом состоянии, поведение которых при импульсном нагружении достаточно хорошо изучено. Эксперименты проведены на образцах из титана, меди, железа и сплавов на его основе. В работе изучался массоперенос в материалах, подвергнутых предварительной импульсной обработке: упругими волнами, импульсному механическому и взрывному нагружениям. Основным методом при изучении массопереноса был метод радиоактивных изотопов. Обладая одновременно высокой чувствительностью и точностью он наиболее полно отвечает требованиям поставленной задачи. В работе использовались методы снятия слоев и авторадиография. Данные о влиянии структуры материала и энергии нагружения на массоперенос получали из сравнительного анализа концентрационных профилей. Для количественного описания процесса перераспределения атомов использовалась максимальная глубина проникновения мечены* атомов, рассчитываемая по экспериментально полученным концентрационным профилям. Кроме того, были использованы другие методы исследования: металлографический, мессбауэровский, микродюромет-рический, рентгеноструктурный анализ.

Третья глава: Изучены закономерности массопереноса и фазообразо-вания в металлах при многократной обработке упругими волнами. На примере железа, меди и титана установлено, что скорость диффузии никеля в диапазоне температур 1073 - 1193 К увеличивается в 2 раза. В результате обработки титана образующийся концентрационный профиль имеет немонотонный характер, общая глубина диффузионной зоны никеля в титане значительно превышает таковую в меди и железе Это связано с одновременным насыщением титана азотом, поступающим в образец из окружающего объема. При цементации железа, а также сплавов железо - хром, железо - титан при обработке упругими волнами происходит заметное ускорение процесса насыщения углеродом: при температуре 1223 К - в 1,5-2 раза, а при понижении температуры насыщения до 973 К - в 10 - 12 раз. Изменяется при этом характер фазообразования - после импульсной обработки поверхностный слой железа до 40 мкм содержит, например, ~65 % аустенита, тогда как бе; нее - только 35 %.

Микродюрометрический анализ показал, что после импульсной обработки микротвердость выше на всем протяжении диффузионной зоны, причем на глубинеоколо 200 мкм наблюдается максимум, который отсутствует у образцов без импульсной обработки. Исследование цементации сплавов железо - 1% хрома и железо - 1,2% титана показало,

{то легирование хромом увеличивает протяженность диффузионной юны углерода в сплаве и микротвердость.

Дано объяснение полученным закономерностям, основанное на пред-толожении об ускорении миграции атомов под действием движущей :илы.

Четвертая глава: Изучено влияние структурного состояния на массо-lepenoc при импульсном нагружении. Процесс массопереноса исследо-?ался на образцах железа и меди при однократном импульсном нагру-«ении со скоростью деформации (2+4) 10 2 с "1 (механический удар) и 106 : "1 (взрывное нагружение). Длительность импульса сжатия составляла в ювисимости от условии нагружения 110"° - 7 10"^ с. Установлено, что юдвижность атомов никеля в меди выше, чем в железе. Отношение глу-5ин проникновения составляет Xcu /XFe = 1,3.

Влияние температуры на массопереноса при импульсных воздействи-IX выражено значительно слабее, чем при диффузии в отсутствии внешнего воздействия. Даже при 77 К атомы проникают на глубины более 10 «км. Это свидетельствует о том, что массоперенос в данных условиях обработки не является термически активируемым.

Механизмы образования межузельных атомов в металлах и сплавах различны. При импульсных деформациях может происходить их возни-шовение за счет сжатия кристаллической решетки в волне нагрузки. В злучас ударного механического нагружения это соответствует образованию порядка 510"4 межузельных атомов, что примерно на 16 порядков величины превышает их равновесную концентрацию.

Уравнение потока мигрирующих атомов можно представить в виде ;уммы диффузионной составляющей и направленного движения атомов при импульсным воздействии

J = -D dc/dx + <v>c , (1)

где J- поток, D - коэффициент диффузии, с - концентрация диффузанта, <v> - средняя скорость дрейфа.

Средняя скорость дрейфа атомов <v> под действием силы F зависит

эт коэффициента диффузии:

^ -> DF

< V > = -

kT

С повышением температуры вклад первого слагаемого в (1) увеличивается по экспоненте за счет увеличения D, оставаясь пренебрежимо малой величиной при 300 К, т.к. вакансии, обладающие высокой энергией миграции являются "замороженными". Увеличение D приводит к росту скорости дрейфа, однако не может обеспечить полученное экспе-

риментально увеличение глубины массопереноса с ростом температуры. Это связано с тем, что в расчетах используется I) для вакансионного механизма. Поэтому в расчетах необходимо использовать коэффициент диффузии для межузельного механизма.

Влияние напряжений в исходном состоянии на массоперенос в металлах импульсных воздействиях является неоднозначным. После предварительного деформирования в структуре как железа так и меди появляются следы деформации. Взрывная обработка приводит к измельчению и вытягиванию зерен в направлении, перпендикулярном к направлению ударного воздействия

На рис. 1. представлено влияние дефектности структуры в исходном состоянии и температуры на глубину проникновения атомов никеля в медь при импульсном нагружении. По величине микронапряжений рассчитана плотность дислокаций. Увеличение плотности дислокаций в исходном состоянии приводит к тому, что большая часть движущихся атомов тормозится на них:

£•'<?*>-- Г

где С - концентрация проникающего элемента х - глубина, Ь -

ширина зоны массопереноса, %>д ) - функция, зависящая от плотности дислокаций. Таким образом, проявляется тормозящее влияние напряженного состояния металла в исходном состоянии на процессы массопереноса при импульсном воздействии.

Исследование влияния размера атома на массоперенос проводили на меди. Как следует из рассмотрения рис. 2, в целом характер зависимости при импульсном нагружении очень похож на таковой для атомов внедрения - уменьшение подвижности с ростом радиуса, что является обратным по отношению к диффузии атомов замещения по вакансионному механизму.

Рост подвижности атомов с увеличением атомного радиуса при вака-нсионном механизме связан с увеличением искажений кристаллической решетки вблизи атома растворенного элемента, что, снижая энергию активации, облегчает процесс диффузии.

Искажения тем больше, чем сильнее отличается размер атома растворенного элемента от атома растворителя. Полученные зависимости свидетельствуют, что под действием импульсного воздействия со скоростью деформации 260 с "1 при 300 К миграция атомов замещения осуществляется по междоузлиям. В связи с тем, что массоперенос в условиях импульсного воздействия оказывается чувствительным к размеру

[игрирующего атома, можно сделать вывод о том, что процесс идет на томном уровне.

Анализ полученных результатов обнаруживает ряд общих закономе-ностей для различных видов обработки.

Например, с учетом параметров воздействия получена зависимость оэффициентов массопереноса в широком диапазоне энергий (рис. 3), оторая имеет вид кривой с насыщением при быстром росте на началь-ом участке.

Проведен анализ формы концентрационных профилей распределения зотопов в объеме материала в результате массопереноса. Аппроксима-,ия экспериментальных кривых аналитической функцией показала, что онцентрационные кривые наилучшим образом описываются зависи-юстью вида:

С = Со ехр(-аХп ), (2)

После импульсного воздействия п изменяется от 1,8 (упругая волна) о 0,8 (взрывная обработка). С увеличением энергии нагружения пока-атель степени п заметно убывает как для меди, так и для железа, асимп-отически приближаясь к 1 для меди. Железо характеризуется более ни-кими значениями п.

При импульсном нагружении движение атомов становится направ-енными за счет действия движущей силы. Воздействие движущей силы риводит к тому, что частота скачков проникающих атомов в направ-ении действия силы превышает частоту в противоположном направле-ии. Разность вероятностей скачков атомов составляет:

е = Г0ехр(^)-Г0ехр(-

кТ кТ

це Г о - частота скачков в отсутствие действия силы, АЕ т - разность ысот соседних потенциальных барьеров. Расчет г для меди и железа оказал, что в предположении о величине энергии активации движения ,1 - 0,05 эВ при механическом ударе (77 К) и взрывной обработке во сех структурных состояниях е > 1.

Это говорит о том, что энергии активации миграции атомов никеля в :еди и железе менее 0,05 эВ. Столь малая энергия активации может быть вязана с общим возбужденным состоянием решетки во время импульс-ого воздействия. С увеличением микронапряжений в исходном состоя-ии параметр б возрастает. Это связано с удалением от равновесного эстояния.

Анализ результатов свидетельствует о том, что с увеличением энергии

воздействия от 0,1 до 2 10 3 Дж растет величина энергии, сообщае-

мая атомам за счет действия движущей силы. Наличие дополнительной энергии, соизмеримой с кТ в расчете на атом изменяет механизм процесса их перераспределения, что видно по изменению наклона кривой в области 0,1 - 200 Дж (рис. 3). Одновременно с этим изменяется показатель степени при X в формуле (1) сторону уменьшения.

Таким образом, по величине показателя степени также можно судить о механизме процесса. При п = 2 реализуется механизм случайных блужданий, п ~ 1 отвечает перемещению атомов в условиях высокоэнергетических внешних воздействиях по межузельному механизму, 2 > п > 1 характеризует промежуточный случай одновременной реализации нескольких механизмов.

ВЫВОДЫ:

1. Обнаружено ускорение диффузии никеля в железе, меди и титане в

условиях многократного импульсного воздействия упругими волнами при температуре 1073 К. Скорость диффузии никеля в железе, меди и титане в этих условиях увеличивается примерно в два раза.

2. Изучены особенности фазообразования в железе и его сплавах при

насыщении углеродом под действием упругих волн. Установлено образование аустенита в количестве 65% (без обработки - 35%).

3. При ударной и взрывной обработках в температурном интервале 77 -

300 К глубина проникновения никеля в меди больше, чем в железе в 1,4 раза.

4. Обнаружено уменьшение глубины массопереноса с понижением тем-

пературы импульсного воздействия, которое сохраняется и при изменении исходного структурного состояния металла.

5. Увеличение микронапряжений в исходном состоянии приводит к

уменьшению зоны массопереноса никеля в железе и меди в диапазо-

2 3

не энергий нагружения 210 -г 210 Дж. Это связано с тормозящим влиянием дислокаций на процессы массопереноса.

6. Изучение влияния размера проникающего атома в меди на подвиж-

ность в условиях импульсного нагружения показало, что под действием импульсного воздействия миграция атомов замещения осуществляется по междоузлиям.

7. Предложен недислокационный механизм образования межузельных

атомов в условиях импульсных воздействий за счет сжатия решетки.

8. Получена зависимость коэффициентов массопереноса от энергии им-

пульсного воздействия.

9. Определена энергия миграции атомов при различных видах импульс-

ных нагружений.

10. Проведено аналитическое исследование формы концентрационных

профилей, полученных в результате массопереноса в широком диапазоне энергии импульсного воздействия. Предложен критерий оценки вклада различных механизмов в процесс массопереноса.

Основные материалы работы опубликованы в следующих журналах и сборниках:

1. Миронова Т.Ф. О роли эффекта размера при диффузии примесей в меди // Физика структуры и свойств твердых тел, Куйбышев, 1984, с. 51-56.

2. Миронова Т.Ф. Объемная диффузия разнородных примесей в меди//Материалы конференции "Роль диффузии в образовании неразъемных соединений", Киев, 1992 г. с.18-19.

3. Бекренев А.Н., Миронова Т.Ф., Мазанко В.Ф., Филатов A.B. // Процессы массопереноса в меди и железе в условиях импульсного на-гружения. Симпозиум "Синергетика - 96" III, Москва, И Мет РАН, 1996 г, с.96.

4. Бекренев А.Н., Миронова Т.Ф., Мазанко В.Ф., Филатов A.B. // Влияние упругих напряжений на диффузию и фазообразование в металлах. Симпозиум "Синергетика - 96" III, Москва, ИМет РАН, 1996 г, с.132-133.

5. Т.Ф.Миронова, В.М. Миронов, В.Ф. Мазанко // Закономерности массопереноса и фазообразования в металлах и сплавах в условиях импульсного сжатия. Тезисы докладов 44 научной конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов СГСХА, Самара, 1997 г., с. 36-37.

6. В. Мазанко, А. Филатов, В. Иващенко, Т. Миронова, JI. Мишина // Интесификация процесса цементации железа и его сплавов обработкой упругими волнами. В сб. Материалы международного конгресса "Машиностроительные технологии' 97", Болгария, София, 1997 г.

7. В. Мазанко, А. Филатов, Т. Миронова, Л. Митлина // Влияние типа кристаллической решетки на массперенос при импульсных воздействиях. В сб. Материалы международного конгресса "Машиностроительные технологии' 97", Болгария, София, 1997 г.

18 О

(а)

£ о

5,0 3,0 1,0

"Л"--- . ,. .......... ....... --------

0,1

0,2

0,3

Г ат, НМ

0,02 0,04 0,06 0,08

Г ат, НМ

Рис. 2. Зависимость коэффициентов массопереноса этих элементов в меди от атомного радиуса в отсутствие нагру-жения (а), при импульсном нагружении (б), при диффузии атомов внедрения (в).

Энергия на.гружния Е. кДж

Рис. 3 Зависимость коэффициентов массопереноса от энергии импульсного нагружения при 300 К. 1 - медь, 2 - железо.