Введение к работе
Актуальность проблемы: диффузионное проникновение атомарных примесей в твердые тела и, з первую очередь, в металлы сопровождается обычно активным взаимодействием диффундирующих атомов с веществом тела и многочисленными дефектами его структуры, что стимулирует развитие в твердой фазе различных фазовых и химических превращений. Ситуация еще более осложняется за счет процессов сорбции-десорбции и диссоциации-рекомбинации на границе тела . с газовой фазой и в результате, естественно, изменения условий термодинамического равновесия в нестационарных процессах. Последнее происходит, например, при наложении переменных температурных полей. Термоциклирование металла в определенном интервале температур приводит к структурным изменениям, возникновению и релаксации термических напряжений, генерации дислокаций и неравновесных вакансий. Все эти явления з той или иной степени влияют на диффузию примеси, существенно усложняя физическую картину процесса. Широкий спектр реально присутствующих структурных де-. фектов и многообразие физико-химических механизмов развивающихся на них превращений приводят к появлению ряда новых, иногда совершенно кеопидаяных, эффектов. Это резко усложняет анализ процессов диффузионного транспорта примесей и построение их адекватных физических моделей, требуя одновременно привлечения иетодоз исследования, специфичных для разных областей науки и выходящих, вообще гозоря, за рамки стандартных методов физической химия. С необходимым расширением традиционной методологии и связана, прежде зсего, общенаучная шегу&яьяость темы предлагавши работа Существо рассматриваемой в ней проблеиы, непосредо- : твэнно связанной с потребностями практики, состоят в углубленном ;
физико-химическом анализе взаимосвязи диффузионного процесса со сложным комплексом явлений, налагающихся вследствие переменных температурных воздействий. При этом важным аспектом проблемы является разработка адекватных физических и математических моделей процесса
Исследованный круг вопросов имеет самое непосредственное отношение к важным процессам химико-термической обработки поверхностных слоев металлических изделий с целью улучшения их эксплуатационных свойств. Этим обусловлена прикладная актуальность темы работы и полученных в ней результатов. Многочисленные экспериментальные исследования установили важный для технологических приложений эффект ускорения диффузионного транспорта упрочняющих металл примесей при переменной температуре. Однако в силу отмеченной выше сложности процесса многие его детали в настоящее время изучены недостаточно, что в извесной мере тормозит разработку оптимальных режимов термоциклической химико-термической обработки материалов. Большинство экспериментальных исследований ограничено определением общей глубины диффузионного проникновения. Существующие теоретические представления о процессе не всегда удовлетворительно об"ясняют наблюдаемые в акспериьюнтах закономерности увеличения глубины диффувиошгаго слоя при нестационарных температурных воздействиях, В некоторых последних экспериментальных работах обнаружен эффект накопления концентрации примеси в металле до вначений, превышающих растворимость в однородном твердом растворе, который не может быть об"яснен в рамках существующих моделей.
Цель работы состоит в разработке, на основе термодинамических и кинетических методов анализа, системы теоретических преде-
тавлений о механизме процесса диффузионного насыщения металла примесными атомами при переменных температурных воздействиях с учетом гетерогенной структуры металла, позволяющих об"яснить отмеченные выше особенности процесса.
Работа выполнена в лаборатории защитных сред ВНИИШ1 и на кафедре математической физики Уральского государственного университета им. А. М. Горького в соответствии с постановлением ГКНГ СССР N 485 от 14.11. 1986 г.
Научная новизна; С использованием методов релаксационного формализма неравновесной термодинамики получены новые соотношения, связывавшие диффузионный поток атомов примеси в металле с переменными, характеризующими внутренние релакоационные процессы, протекающие в металле при переменной температуре.
Показано, что. в случае единственного релаксационного процесса, массоперенос примеси описывается уравнением гиперболического типа, для которого получены и исследованы аналитические решения для полуограниченного тела с учетом и беэ учета релаксации потока на границе.
Впервые на примере диффузии примеси углерода в стали 20.20Х и 20ХНЗА показано, что распределение концентрации примесных атомов после неизотермического насып^ния ими металла значительно лучше описывается гиперболическим уравнением с граничными условиями третьего рода, чем классическим параболическим уравнением диффузии.
Впервые исследовано влияние на неиэотермическое диффузионное насыщение примесью гетерогенного металла кинетики взаимодействия атомов примеси со структурными неоднородностяыи при пе-
ременной температуре процесса.
Об"кснены наблюдаемые в экспериментах эффекты увеличения общего количества примеси по сравнении с таковым, получаемым при изотермической диффузии в бездефектном материале и накопления примесных атомов в приповерхностной области до концентраций, превышающих граничную и даже предельную растворимость в однородном твердом растворе при максимальной температуре процесса.
Разработана новая феноменологическая модель диффузии примеси в твердом теле с точечными или макроскопическими дефектами, играющими роль ловушек для диффундирующих атомов, учитывающая релаксацию процессов захвата и испускания атомов дефектами.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в ней модельные представления, уравнения и закономерности могут бвдь использованы при решении прикладных задач, связанных с созданием и оптимизацией прогрессивных технологий неиэотермической химико-термической обработки металлических изделий, с оценкой и прогнозирование^ прочностных свойств металла .
Разработанные модели диффузионного переноса примесных атомов s металле при переманных -температурных воздействиях были ие-пояьвованы при создании технологии термоциклической химико-термической обработки гяжелонагрумзнных шестерен. Внедрение этой технологии на Чебоксарском заводе промышленных тракторов позволяю убєіиїчить моторесурс шестерен до 10 000 моточасов и сократить продолжительность технологического процесса на 15-20 %.
Автор защищает;
результаты термодинамического анализа влияния переменных температурных воздействий на диффузию примеси в металле;
модель неизотермического диффузионного насыщения примесью
твердого тела с изолированными дефектами, способными захватывать 3 и испускать диффундирующие атомы, при изменяющейся в условиях переменной температуры кинетике взаимодействия атомов с дефектами;
- модель диффузии атомов примеси в твердом теле с изолированными дефектами, играющими роль ловушек для диффундирующих атомов, которая учитывает в релаксационном прибликении конечную скорость формирования концентрационного слоя на мекфазовой поверхности.
Достоверность экспериментальных результатов, полученных в диссертации, обеспечивается применением современных средств и методов исследования, а также согласием с данными других авторов. Теоретические результаты подтверждаются хорошим согласием с собственными и известными из литературы экспериментальными данными ш известными теоретическими выводами по массопереносу в гетерогенных средах..
Апробация работы: материалы диссертации доложены и обсужде-,. ны на II Республиканской школе - семинаре молодых ученых и специалистов "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Алурта, 1987 г.). Всесоюзном совещании по технологической теплофизике (Тольятти, 1988 г.), Всесоюзном научно -техническом семинаре "Технология и оборудование для новых прог- рессивных методов ХТО деталей тракторов и сельхоз. машин" (Вол-. гоград, 1988 г.), Международном форуш по тепломассообмену (Шкск, 1989 г.), IX Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву (Сувдаль, 1989 г.).
Публикации: основные научные реаультаты опубликованы в 4 научных статьях и 4 тезисах докладов на научно - технических конференциях.
- 7 - '
Структура и об"ем работы: диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы (135 наименований) и приложений. Текст диссертации изложен на 151 с., содержит 27 рисунков.