Взаимная диффузия в структурно-неоднородных материалах, полученных методом порошковой металлургии

• Автор: Пещеренко, Сергей Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 325 с.

Оглавление
Введение з
1 Диффузия в структурно-неоднородных средах
1.1 Макроскопическая теория взаимной диффузии
1.2 Диффузия и дефекты кристаллического строения
1.2.1 Неравновесные вакансии
1.2.2 Дислокации
1.2.3 Границы зерен
1.2.4 Поры и микротрещины
1.3 Диффузия в кинетическом режиме А
1.4 Диффузия в высоконеравновеспых условиях
1.5 Постановка задачи и методики исследований
2 Взаимная диффузия в двухкомпонентных системах
2.1 Осредненное уравнение взаимной диффузии
2.2 Методика определения коэффициентов диффузии
2.3 Концентрационная зависимость коэффициентов
2.4 Температурная зависимость коэффициентов
2.5 Влияние неравновесных дефектов
2.6 Эффект аномальной усадки в диффузионной зоне
2.7 Системы с сильно различающимися компонентами
2.8 Выводы
3 Взаимная диффузия в многокомпонентных системах
3.1 Выбор схемы диффузионного эксперимента
3.2 Модель диффузионной гомогенизации
3.3 Методика измерения концентрационной неоднородности
3.4 Экспериментальная проверка модели гомогенизации
3.4.1 Закон распределения концентрации
3.4.2 Уравнение гомогенизации
3.5 Взаимная диффузия в низколегированных системах
3.6 Взаимная диффузия в высоколегированных системах
3.7 Диффузионная гомогенизация многофазных систем
3.7.1 Диффузия в системе Ге-Сг-С-СаЕг
3.7.2 Диффузия в системе Ге-Мо-С-СаГг
3.7.3 Влияние фазовых границ на диффузию

3.8 Концентрационная неоднородность при t —>00
3.9 Выводы
4 Диффузия в процессах формирования структуры
4.1 Диффузионная гомогенизация в дисперсных системах
4.2 Диссипативные процессы в дислокационной системе
4.3 Рекристаллизация
4.3.1 Методика исследования
4.3.2 Экспериментальные результаты
4.3.3 Механизм роста зерна
4.4 Влияние фазового превращения на рекристаллизацию
4.5 Эволюция порового пространства
4.6 Измельчение и механическое легирование порошков
4.6.1 Эволюция микроструктуры частиц
4.6.2 Мезоструктура порошков
4.6.3 Модель дробления и конгломерации
4.7 Выводы
5 Прогнозирование механических свойств
5.1 Предел прочности
5.1.1 Описание модели
5.1.2 Полученные результаты
5.2 Условный предел текучести
5.2.1 Описание модели
5.2.2 Полученные результаты
5.3 Имитационное моделирование
5.3.1 Описание модели
5.3.2 Обсуждение полученных результатов
5.4 Выводы
Основные результаты работы
Приложения
1 Расчет концентрации в микрообъемах
2 Процедура сглаживания
3 Численное решение уравнения диффузии
4 Гранулометрический и химический состав порошков
Литература

Введение
Успехи в изучении диффузии в твердой фазе главным образом связаны с исследованиями самодиффузии и примесной диффузии в структурно-неоднородных и самодиффузии и взаимной диффузии в однородных средах.
В первом случае исследуется взаимодействие между единичными дефектами или системами дефектов и атомами, совершающими тепловую миграцию при фиксированном количестве дефектов, неподвижных или (реже) движущихся под действием внешних воздействий. В этой постановке были решены задачи о влиянии неравновесных вакансий (см. [1]~[3]), дислокаций (см. [4]—[5]), границ зерен (см. [6]—[10], [4]) на диффузию: получены и решены уравнения диффузии, установлены многие особенности механизма диффузии атомов, взаимодействующих с термодинамически неравновесными дефектами. Объем исследований этого направления постоянно растет: число публикаций увеличивается экспоненциально, начинают формироваться новые направления, отсутствовавшие в исходной постановке проблемы, например исследования эффектов взаимной диффузии в материале, содержащем границу зерна, т.е. когда концентрация примесных атомов сопоставима с концентрацией атомов матрицы.
Основные проблемы взаимной диффузии в структурно-однородных двухкомпонентных системах были решены к началу 80-х годов: предложены макро- (Darken L.) и микроскопические (Maning J., Гуров К.П.) теории и проведены обширные экспериментальные исследования взаимной диффузии в поликристаллах, главным образом между близкими по свойствам компонентами, с минимальным содержанием дефектов в исходном состоянии (см. [11]).
Вместе с тем было известно, что в общем случае взаимная диф-

го раствора. Данное явление наблюдалось также в литых образцах [90] и фольгах [91]. При изгибании границы возникают напряжения. Если их величина превысит предел упругости, то развивается пластическая деформация, сопровождаемая образованием дислокаций [92], [93]. Дислокации, двигаясь в полях напряжений, также могут оставлять «замурованные» атомы.
Диффузионные зоны имеют ярко выраженные «хвосты», что объясняется быстрым диффузионным переносом вдоль границ и сравнительно медленным отсосом легирующих элементов в объем зерна.
Анализ результатов диффузионных исследований нанокристал-лических материалов [94]--[96], выполненный в [97] показал, что диффузионные свойства границ зерен нанокристаллов и обычных поликристаллов совпадают. Диффузионные процессы в нанокристалличе-ских материалах и поликристаллических с размером зерна в десятки и более микрон, отличаются только количественно: больше дефектов, больше вклад диффузии с участием дефектов. Никаких новых закономерностей пока не было установлено.
Аномальная диффузия при импульсном воздействии. Коэффициент взаимной диффузии при импульсном воздействии достигает аномально высоких значений, до ~ 10-4 см2/с, что близко к его величине в жидкостях, хотя следов оплавления диффузионной зоны нет [98]—[103]. Ясно, что термофлуктуационный механизм диффузии не может обеспечить такого массопереноса и должен быть дополнительный дрейфовый вклад. Его обеспечивают напряжения во фронте ударной волны. Теория аномального массопереноса для примесной диффузии предложена в [104], где было использовано выражение для потока (1.22), однако силу Р полагали равной —Ур как для случая миграции макроскопических частиц [105], что не верно. Правильное выражение имеет вид: Р — —VII — Используя, как и в