Нелинейные эффекты зернограничной диффузии Островский, Анатолий Сергеевич

Введение к работе

Актуальность темы.

Среди недостаточно полно исследованных и не до конца понятых вопросов физики границ зерен одним из наиболее важных является взаимосвязь между зернограничной диффузией и зернограничной сегрегацией. В последние годы, наряду с кафедрой физической химии МИСиС, в различных лабораториях мира проводились как теоретические, так и экспериментальные (Марсель (Франция), Саклэ (Франция), Мюнстер (Германия)) исследования влияния нелинейной сегрегации на зернограничную диффузию. Однако, ни общей модели, ни методики определения сегрегационных параметров из зернограничных экспериментов в системах с нелинейной сегрегацией получено не было.

Следует отметить, что помимо чисто теоретического аспекта эта проблема имеет важное практическое значение, в связи с широким применением микролегирующих добавок, сильно сегрегирующих на границах зерен и влияющих на эксплуатационные свойства и стабильность материалов. К сожалению, прямые измерения коэффициента сегрегации возможны только для материалов, обладающих значительной хрупкостью (таких, как керамики или некоторые интерметаллические соединения), и практически невозможны для большинства чистых металлов, поэтому определение сегрегационных параметров с помощью измерения зернограничной диффузии представляется весьма привлекательным.

Цели и задачи исследования.

Целями настоящего исследования были теоретическое изучение взаимосвязи между зернограничной сегрегацией и зернограничной диффузией с учетом различных нелинейных сегрегационных эффектов и разработка и апробация новых методик определения сегрегационных параметров из диффузионных измерений.

Для достижения этих целей необходимо было решить следующие задачи:

1. Вывести сегрегационные изотермы, учитывающие нелинейные эффекты насыщения границы зерна атомами примеси и взаимодействия между атомами в границе зерна.

2. Вывести сегрегационные изотермы, учитывающие неоднородность границы зерна.

3. Получить решения зернограничной диффузионной задачи, учитывающие как совместное, так и раздельное влияние вышеперечисленных нелинейных эффектов.

4. Разработать методику расчета сегрегаиионных параметров системы (коэффициента сегрегации в границе зерна, распределения энергии сегрегации по типам мест в границе зерна, энтальпии смешения в границе зерна) из измерений зернограничной диффузии.

5. Подобрать экспериментальный материал и проиллюстрировать возможности применения разработанной методики.

6. Сравнить результаты расчетов с имеющимися литературными данными.

Основные положения, выносимые на зашиту.

7. Изотермы зернограничной сегрегации, учитывающие ограниченную растворимость растворенного вещества в объеме и границе зерна при наличии эффектов насыщения границы зерна сегрегантом,' взаимодействия атомов зернограничного раствора и неоднородности границы зерна.

8. Решения задачи зернограничной диффузии, учитывающие вышеперечисленные эффекты нелинейной сегрегации и ограниченной растворимости.

9. Методики определения сегрегационных параметров систем (коэффициента сегрегации примеси в границе, распределения энергии сегрегации по типам мест в границе зерна, энтальпии смешения и растворимости примеси в границе зерна) из измерений зернограничной диффузии.

Научная новизна.

Следующие результаты являются новыми в научном отношении:

10. Вывод изотерм зернограничной сегрегации, учитывающих ограниченную растворимость примеси в объеме и границе зерна при наличии эффектов насыщения границы зерна сегрегантом, взаимодействия атомов в зернограничном растворе и неоднородности границы зерна.

11. Решения задачи зернограничной диффузии с учетом вышеперечисленных изотерм зернограничной сегрегации.

12. Обнаружение ускорения зернограничной диффузии по неоднородной границе по сравнению с однородной.

13. Введение растворимости диффузанта в границе зерна в тройное произведение зернограничной диффузии и преобразование его таким образом в четверное.

14. Разработка методик определения сегрегационных параметров системы из измерений зернограничной диффузии только в кинетическом режиме В.

Практическая значимость работы.

Закономерности взаимодействия границ зерен с диффундирующими по ним примесями крайне важны для свойств изделий и приборов. Возможность определения коэффициента сегрегации только из концентрационных профилей зернограничной диффузии в кинетическом режиме В позволяет минимум в два раза уменьшить объем экспериментальной работы по сравнению с существующими методиками определения сегрегационных данных на основе зернограничных измерений, а также определять с помощью диффузионного эксперимента ориентационные характеристики сегрегации на аттестованных в кристаллографическом отношении границах, что было ранее невозможно.

Представленные в работе модели и результаты уже используются для преподавания спецкурса "Неравновесные конденсированные системы. Межкристаллитные границы" студентам, обучающимся по специальностям 0708 и 0709 и по направлению 510400.

Апробация работы.

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих научных семинарах и конференциях:

1. III Международный семинар "Актуальные вопросы диффузии, фазовых и структурных превращений в сплавах", Сокирне, Украина, 19-24 июня 1995 г.

2. International Workshop "Grain Boundary Diffusion and Grain Boundary Segregation", Moscow, Russia, May 26-29 1997.

3. Seminar uber Fragen der Metallforschung, Munster, Germany, 8 Juni 1998.

4. 9th International Conference "Intergranular and Interphase Boundaries in Materials", Prague, Czech Republic, 6-9 July 1998.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы. Общий объем диссертации составляет /со страниц, j?o2- рисунка, .^"таблиц, наименований в списке литературы т⁷^.