Влияние поверхностной энергии и механических напряжений на эволюцию двухфазных дисперсных ячеистых систем

• Автор: Боченков, Сергей Евгеньевич
• Шифр специальности: 02.00.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 119 с. : ил

Содержание

Глава I. Литературный обзор

1.1. Строение дисперсных ячеистых систем

1.2. Коллоидно-химические свойства пенных пленок

1.3. Описание свойств границ зерен в поликристаллах

1.4. Жидкие межзеренные прослойки

1.5. Твердофазные межзеренные прослойки

1.6. Межзеренные прослойки цементита в азотированной стали 43 Глава II. Диффузионный перенос газа между ячейками

(высокократные пены)

2.1. Массоперенос между ячейками квазидвумерной пены

2.2. Массоперенос между ячейками трехмерной пены 54 Глава III. Смачивание границ зерен поликристалла NaCl под нагрузкой
(жидкие межзеренные прослойки)
3.1. Влияние механических напряжений на долю смоченных границ зерен поликристалла NaCl
3.2. Напряженное состояние тонкого диска
3.3. Распределение напряжений на границах зерен в сжатом диске
3.4. Обоснование модели
Глава IV. Образование цементита при азотировании стали 32CDV13 (твердофазные межзеренные прослойки)
4.1. Подготовка образцов
4.2. Определение параметров энергетического спектра границ зерен
4.3. Измерение остаточных напряжений
4.4. Ориентационная анизотропия прослоек цементита
в азотированном слое
4.5. Ориентационная анизотропия истинных углов наклона прослоек цементита
к поверхности образца
4.6. Модель образования межзеренных прослоек цементита
Заключение и выводы
Литература

Введение
Ячеистые системы представляют собой дисперсные коллоидные системы, состоящие из граничащих друг с другом ячеек, имеющих в общем случае полигонально-полиэдрическую форму. Наиболее наглядным примером ячеистой системы может являться высокократная пена. Особенностью строения ячеистых систем является наличие в них внутренних границ раздела, связанных друг с другом в пространственную сеть, охватывающую весь объем такой системы. По коллоидно-химической классификации к ячеистым могут относиться системы типа Г /Ж (пены), Ж/Ж (эмульсии), Ж/Т (поликристаллы с жидкими прослойками) и Т/Т (поликристаллы с твердыми прослойками). Таким образом, ячеистые системы охватывают значительную часть природных и технологических объектов и представляют огромный интерес для изучения.
Приведенный порядок рассмотрения ячеистых систем соответствует возрастанию сложности их описания. Так, пены и эмульсии являются практически полностью механически равновесными системами, на которые действуют только гидростатические напряжения, а все пленки в них имеют одинаковую избыточную энергию. При изучении поликристаллов с жидкими и твердыми прослойками необходимо принимать во внимание неравномерность распределения энергий границ зерен, что может приводить к образованию прослоек на границах с высокой энергией, а также возможность влияния механических напряжений на образование прослоек. Несмотря на большое количество работ, посвященных образованию прослоек на границах зерен в поликристаллах, совместное влияние коллоидно-химических и механических факторов на возможность образования прослойки на индивидуальной границе принимается во внимание сравнительно редко.
Аналогичность внутреннего строения ячеистых систем обусловила распространенный в последнее время подход к моделированию более

сложных систем более простыми, в частности, моделирование эволюции поликристаллов при отжиге на примере изменения структуры и дисперсности пен. Во второй половине XX века были выведены законы, описывающие изменение во времени площади ячейки квазидвумерной пены (Нейман) и зерна квазидвумерного поликристалла (Маллинз). Несмотря на очевидное различие многих физических параметров пен и поликристаллов на несколько порядков величины (например, прочности и коэффициента диффузии), оба этих закона предсказывают пропорциональность скорости изменения площади ячейки величине (п-6), где п - полигранность ячейки, и независимость скорости изменения площади ячейки от ее размера. Вплоть до настоящего времени развивались подходы для обобщенного описания процессов созревания объемных пен и поликристаллов, однако уравнение, описывающее эволюцию индивидуальной объемной ячейки во времени в зависимости от ее формы, получено не было.
Как отмечалось выше, принципиальное различие между пенами и поликристаллами заключается в том, что границы зерен поликристаллов могут иметь различную энергию, зависящую от случайной разориентировки зерен, и что в поликристаллах возможны сложнонапряженные состояния. Сочетание таких физико-химических факторов, как энергия границы и межфазная энергия между матрицей и прослойкой, а также ориентация границы в поле напряжений, влияет на возможность образования прослойки на этой границе. Подробное рассмотрение термодинамических условий образования новой фазы на различных структурных элементах поликристаллов (границах, линиях контакта трех границ и т. д.) проводилось еще Гиббсом [1]. В отличие от пен (поскольку пена является двухфазной системой, то правильнее, по мнению авторов, проводить аналогию между пенами и поликристаллами с прослойками, а не пенами и поликристаллами, как это принято в настоящее время), межзеренные прослойки в поликристаллах могут образовываться не на всех границах. Несмотря на достаточно интенсивные теоретические и экспериментальные исследования закономерностей образования жидких и твердых межзеренных прослоек в
1.5. Твердофазные межзеренные прослойки
Образование частиц новой фазы р из твердого раствора а (матрицы) становится возможным при превышении предела растворимости фазы Р (при понижении температуры или в результате протекания какой-либо химической реакции). Движущей силой образования частиц является изменение свободной энергии системы (энергии Гиббса). Теоретические выкладки, описывающие образование и эволюцию частиц второй фазы, основаны на предположении, что для частиц справедливы законы термодинамики объемных фаз.
Процесс образования частиц фазы р обычно условно рассматривается как последовательность трех стадий - нуклеации (зародышеобразования), роста и созревания частиц. Эти стадии протекают последовательно с изменяющимися скоростями. В начале формирования новой фазы пересыщение относительно велико, поэтому основным процессом является нуклеация. Образовавшиеся частицы растут параллельно с образованием новых. По мере уменьшения пересыщения скорость нуклеации частиц начинает падать и в конце концов нуклеация прекращается, при этом пересыщение продолжает падать только благодаря росту частиц. Наконец, пересыщение падает настолько, что самые мелкие частицы начинают растворяться - запускается процесс созревания частиц, т.е. перераспределения их по размерам с уменьшением общего числа, при котором более крупные частицы растут за счет более мелких.
1.5.1. Термодинамика нуклеации и морфология межзеренных частиц
Нуклеация сферических частиц
Основное уравнение, описывающее гомогенное зародышеобразование сферических частиц (уравнение Гиббса-Фольмера), записывается следующим образом [71]: