Введение к работе
Актуальность темы. Современное машиностроение активно использует железо-никелевые и железо-алюминиевые сплавы. Большую роль в формировании их физико-механических свойств играет диффузия (в том числе и по границам зерен), контролирующая такие процессы в твердом теле, как шіастическая деформация, старение, коагуляция и т.д. Кроме гого, диффузия является основой многих широко используемых технологий, например, цементации, азотирования сталей, циффузионной сварки, спекания порошков.
Внешние воздействия, к которым можно отнести однородное магнитное поле постоянной напряженности, могут заметно гаменять скорость протекания диффузии, тем самым меняя распределение концентрации диффундирующего элемента в латериале матрицы, что влияет на ее физические свойства. Это эбстоятельство создает важные предпосылки для разработки «этодов целенаправленного воздействия на диффузионные процессы в твердых телах.
Экспериментальные данные дают представление о характере і степени влияния магнитного поля на распределение сонцентраций разных диффузантов в ферромагнитной матрице, [то позволяет сделать предположения о его возможных мзических механизмах. Однако, число таких механизмов, іействующих одновременно, может оказаться весьма рачительным. Поэтому, с помощью грубых оценок не всегда дается выявить наиболее существенный из них. Компьютерное 'оделирование помогает нетолько решить указанную проблему,
- 4 -но и проследить динамику процесса.
Таким образом, экспериментальное исследование влияния внешнего магнитного поля на диффузию в ферромагнитной матрице, построение компьютерной модели процесса и их последующее сравнение представляется актуальным как с научной точки зрения, так и в прикладном плане.
Цель и задачи исследования. Целью работы является: экспериментальное исследование влияния однородного магнитного поля, постоянной по времени напряженности, ка диффузию алюминия и никеля в поликристаллическом армко-железе; - выявление его наиболее вероятных механизмов.
Для достижения поставленной цели решалась следующая совокупность задач:
1. Методом радиоактивных изотопов провести исследование
влияния постоянного магнитного поля на объемную и
зернограничную диффузию никеля и объемную диффузию алюминия
в поликристаллическом армко-иелезе в температурном
интервале, включающем ферромагнитную и парамагнитную области
железа. Выявить характер и основные закономерности данного
процесса.
-
С помощью оценок определить наиболее вероятные механизмы влияния постоянного магнитного поля на примесную диффузию в ферромагнетике.
-
Разработать комплекс математических программ,моделирующих влияние постоянного магнитного поля на .диффузию примеси в ферромагнитной матрице из слоя конечной толщины и постоянного источника.
4. Сравнить результаты экспериментальных исследований и
- 5 -математического моделирования. Научная новизна работы.
-
Впервые проведено исследование объемной диффузии никеля и алнминия в армко-железе во внешнем постоянном магнитном поле в широком интервале температур, включающем точку магнитного фазового перехода железа.
-
Впервые исследовано влияние постоянного магнитного поля на зернограничную диффузию никеля в армко-железе.
-
Установлено, что магнитное поле оказывает влияние на диффузию примеси, по объему и границам зерен лишь в ферромагнитной области температур. При этом коэффициенты объемной диффузии алюминия и никеля и параметр зернограничной диффузии никеля немонотонно зависят от напряженности внешнего ПМП. Положение максимума диффузионой проницаемости смещается в сторону больших полей при приближении температуры отжига к точке Кюри матрицы.
-
Установлено также, что при диффузии никеля по границам зерен армко-железа без ПМП при переходе через точку Кюри матрицы имеет место эффект "магнитной диффузионной аномалии".
-
Проведено математическое моделирование процесса влияния внешнего постоянного магнитного поля на диффузию никеля и алюминия в армко-железе методом конечных разностей в предположении, что влияние ПМП осуществляется через упругое магнитострикционное деформирование матрицы в магнитном поле. Полученные результаты качественно согласуются с результатами эксперимента.
Практическая ценность работы. Результаты экспериментов обнаружили заметное влияние напряженности внешнего ПМП на форму концентрационных профилей при диффузии алюминия и никеля по объему и границам зерен армко-железа для температур ниже точки Кюри матрицы. Данное обстоятельство может быть использовано для совершенствования технологий, основой которых является диффузия примесей в ферромагнитную матрицу
В работе предложен механизм влияния магнитного поля на диффузию, основанный на учете дополнительных потоков диффундирующих атомов, возникающих при магнитострикционных деформациях кристаллической решетки матрицы. Это позволяет качественно предсказывать изменение формы концентрационных профилей, в случае если известны величина и знак константы магнитострикции при заданных температуре отжига и напряженности внешнего ПМП.
Положения, выносимые на защиту.
1. Параметры объемной и зернограничной диффузии никеля
в армко-железе немонотонно зависят от напряженности внешнего
постоянного магнитного поля при температурах ниже точки Кюри
диффузионной матрицы.
2. 'Изменение коэффициентов объемной диффузии никеля в
армко-железе во внешнем ПМП зависит от величины и знака
константы магнитострикции матрицы.
3. Поведение температурной зависимости коэффициентов
зернограничной диффузии никеля вблизи точки Кюри железа
v говорит о наличии эффекта "диффузионной магнитной аномалии".
і і
- 7 -Апробация. Результаты диссертации докладывались и представлялись на Меадународной конференции "Диффузия и дефекты в твердых телах (1,Свердловск-19Э1); на Международной школе молодых физиков "Исследование, структуры материалов" (де Олерон-92); на Всесоюзной школе "Диффузия и дефекты в твердых телах" (Пермь-Куйбышев-Пермь - 1989); на Всесоюзных конференциях "Физика прочности и пластичности" (ХИ,Куйбышев-1989, XIII,Самара-1992); на объединенном заседании XIV Всесоюзной конференции "Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур" и и III школы-семинара "Физика и технология электро-магнитных воздействий на структуру и механические свойства кристаллов" (Одесса-1992).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Она содержит 139 страниц машинописного текста, 2і рисунок, 1G таблиц и список литературы из 111 наименований.