Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 13
2. Методы обработки металлов и сплавов и исследования диффузионных процессов 47
2.1. Способы нагружения металлов и сплавов 48
2.2. Определение времени диффузии и температуры деформируемого металла 71
2.3. Методы исследования процессов диффузии и фазообразования 75
3. Влияние упругих деформаций на диффузионные процессы 87
3.1. Закономерности диффузии в металлах при импульсном сжатии среды 88
3.2. Диффузия в металлах в условиях ультразвукового и электрогидравлического воздействий 101
3.3. Влияние электрических разрядов на распределение и подвижность атомов в металлах 113
Выводы к главе 3 144
4. Диффузия в металлах в условиях импульсной пластической деформации 145
4.1. Влияние скоростной деформации на распределение атомов по глубине диффузионной зоны 145
4.2. Фазообразование при импульсном воздействии 163
4.2.1. Образование твердых растворов замещения 163
4.2.2. Взаимодействие металлов с легкими элементами 169
4.2.3. Взаимодействие металлов с нерастворимыми элементами 175
4.3. Влияние структурно-фазового состояния на подвижность атомов в деформируемом металле 180
4.3.1. Влияние дефектов кристаллической структуры на массоперенос 181
4.3.2. Особенности массопереноса в твердых растворах различного типа 192
4.3.3. Массоперенос в полиморфных металлах 202
4.4. Влияние характеристик импульсного воздействия на диффузионную подвижность атомов 206
4.5. Механизм переноса вещества в металлах при импульсной деформации 215
Выводы к главе 4 223
5. Влияние магнитного поля на особенности миграции атомов в металлах 224
5.1. Особенности перераспределения атомов при одновременном действии постоянного магнитного поля и повышенных температур 224
5.2. Влияние наложения постоянного магнитного поля на образование фаз при электроискровом легировании 227
5.3. Влияние переменного магнитного поля на диффузию железа в расплавах металлов 239
5.4. Перераспределение атомов в металлах, подвергнутых скоростному деформированию в импульсном магнитном поле 244
5.5. Влияние одновременного действия статического деформирования и импульсного электромагнитного поля (электрического тока) на диффузию в металлах 248
Выводы к главе 5 266
Заключение 267
Список литературы 270
- Определение времени диффузии и температуры деформируемого металла
- Диффузия в металлах в условиях ультразвукового и электрогидравлического воздействий
- Влияние дефектов кристаллической структуры на массоперенос
- Перераспределение атомов в металлах, подвергнутых скоростному деформированию в импульсном магнитном поле
Введение к работе
Актуальность темы. Диффузия является одним из важнейших процессов переноса вещества в металлах. Скорости и механизмы диффузии определяют течение многих процессов в твердых телах, таких как деформация и рекристаллизация, старение и гомогенизация, фазовые превращения и ряд других. Теория диффузии в твердых телах основана на фундаментальных представлениях физической кинетики и неравновесной термодинамики, тесно связана с учением о дефектах в кристаллах и поэтому является важным разделом физики твердого тела. Она является также основой технологии азотирования, цементации, диффузионного хромирования, диффузионной сварки, порошковой металлургии и т. д. Понимание закономерностей протекания диффузионных процессов позволит повысить эффективность создания новых технологий обработки металлических материалов, а также создания самих новых материалов. Кроме того, диффузионные характеристики имеют решающее значение для производства и эксплуатации конструкционных материалов и самых разнообразных изделий из них, особенно работающих в условиях термоциклирования, знакопеременных нагрузок, магнитных полей при одновременном статическом нагружении, сложного механического, теплового, радиационного и других видов воздействия. Для современных технологий требуется разработка и применение материалов с самыми разнообразными свойствами. В таких условиях диффузия (особенно при повышенных температурах) является процессом, определяющим эволюцию как физических, так и эксплуатационных свойств, и поэтому знание специфики протекания диффузионных процессов в условиях наложения внешних воздействий также является важнейшим направлением физики твердого тела и имеющей большое значение для практического материаловедения. Последнее особенно актуально для решения задач разработки и создания материалов и изделий с заранее планируемыми и контролируемыми свойствами. Это свидетельствует о том, что изучение диффузии имеет большое научное и практическое значение. Действительно, несмотря на то, что прошло уже более века с
первых опытов Уильяма Робертс-Остина по изучению диффузии в твердой фазе, и накоплен гигантский экспериментальный и теоретический материал, по-прежнему обнаруживаются новые явления и новые подходы к давно известному, методы изучения диффузии находятся в постоянном развитии и далеко не по всем проблемам имеются установившиеся представления. Так, эффект перемещения атомов в твердых телах на макроскопические расстояния (десятки и сотни микрон) за чрезвычайно короткое по сравнению с обычной диффузией время, получивший название эффекта аномального массопереноса, был обнаружен в 1974 г. при исследовании процессов, происходящих в металлах в условиях ударной сварки в вакууме [1,2]. В дальнейшем было обнаружено, что указанный эффект реализуется в условиях различного вида импульсной сварки давлением и механико-химико-термической обработки: ультразвуковой ударной обработки [3,4], обработки взрывом [5,6], в условиях скоростного обжатия [7], под действием формоизменения, вызванного обратимым мартенситным превращением [8,9], электрогидроимпульсном воздействии [10,11], при обработке импульсным магнитным полем [12-14], при импульсной лазерной [15,16] и электроискровой обработке [17,18], ряде других видов импульсного нагружения.
Несмотря на кажущееся разнообразие перечисленных воздействий, общей чертой реализации ускоренной миграции атомов является импульсная (упругая или пластическая) деформация металлов. Это обстоятельство позволяет предположить, что нестационарная деформация, локализующаяся в части образца, является необходимым условием для проявления обобщенной термодинамической движущей силы, обеспечивающей ускоренный массоперенос.
Следует отметить, что аномальный массоперенос происходит одновременно с диффузией и, как правило, в зависимости от условий эксперимента, с процессами недиффузионной природы типа "механической диффузии" [19], вызванной внедрением в кристалл пачек скольжения при деформации, либо направленного движения потоков атомов, обусловленного, например, движением дислокаций [20]. Однако их вклад в общий поток является различным.
Поскольку процессы аномального массопереноса происходят в физических системах в самых разнообразных условиях, переоценить их роль в науке и технике практически невозможно. Перенос массы определяет формирование и стабильность структуры и фазового состава, создающих комплекс физико-химических, механических и иных свойств твердых тел. Процессы массопереноса, в том числе его частный случай - диффузия, необратимы и могут происходить как в равновесных, так и в неравновесных условиях. Но если диффузия -массоперенос в стационарных условиях - исследована достаточно хорошо, то массоперенос, интенсифицированный внешними воздействиями, является сравнительно новой, недостаточно исследованной проблемой. Трудность исследования процессов массопереноса в условиях, далеких от равновесия определяется сложностью постановки экспериментов, неоднозначностью трактовки их результатов и неразработанностью теории. Это вызвано тем, что массоперенос в существенно неравновесных условиях представляет собой результат одновременного действия нескольких процессов различной физической природы, включающих изменение структурного состояния кристалла, образование и релаксацию различных дефектов кристаллической решетки, возникновение напряжений и другие эффекты.
Все вышесказанное определяет актуальность постановки задач разработки методов исследования процессов массопереноса и фазообразования в металлических материалах и влияния внешних воздействий (импульсных и стационарных) на диффузионные процессы в твердых телах. Разработке этих вопросов и посвящена настоящая работа.
Основная решаемая фундаментальная научная проблема - влияние внешнего магнитного поля, импульсной упругой или пластической деформации на процессы миграции атомов и фазообразования в металлах и сплавах.
Основная цель работы состоит в исследовании фундаментальных закономерностей диффузии (массопереноса) в металлах и сплавах в различном струк-
турно-фазовом состоянии в условиях внешних воздействий. В качестве исследуемых материалов были выбраны как чистые металлы, в том числе и полиморфные, обладающие кристаллической решеткой разного типа, так и твердые растворы замещения, внедрения и вычитания, двухкомпонентные и сложноле-гированные сплавы. Достижение этой цели подразумевает решение следующих задач:
создание комплекса оборудования и разработка новых методик исследования, использование которых и позволило решить поставленные задачи;
исследование влияние упругих деформаций, осуществляемых различными способами, включая ультразвук, гидроудар, тлеющий, дуговой и искровой разряды, на диффузионный перенос вещества и возникновение фаз в диффузионной зоне;
выяснение вклада каждого из нагружений при их одновременном или последовательном действии и оценка влияния параметров импульсных воздействий на скорость и распределение диффундирующих атомов в материалах, отличающихся типом кристаллической структуры и твердого раствора, наличием и концентрацией дефектов и примесей;
изучение процесса фазообразования при взаимодействии элементов, подвергнутых деформированию в широком интервале температур и скоростей деформации, осуществляемому с помощью различного рода импульсных воздействий;
установление роли внешнего магнитного поля в протекании процессов перераспределения атомов, подвергнутых действию нагрева, упругих волн, статических или импульсных деформаций, пластических деформаций;
- анализ установленных экспериментально особенностей массопереноса с
целью построения механизма миграции атомов при различных видах
внешних воздействий.
Научная новизна.
В рамках данной работы впервые предложены и разработаны новые экспериментальные методы изучения диффузии в условиях импульсных упругих воздействий и одновременного определения коэффициентов диффузии и абсолютных концентраций диффузанта и их автоматической записи.
Впервые систематически исследованы особенности переноса атомов металлов, инертных газов и легких элементов с поверхности металла в глубь под действием ионной бомбардировки в тлеющем разряде и установлена взаимосвязь между подвижностью и распределением атомов и характеристиками бомбардирующих ионов и параметрами тлеющего разряда.
Впервые исследована зависимость подвижности атомов от глубины проникновения и установлено снижение подвижности в приповерхностных слоях.
Впервые показана роль постоянных, переменных и импульсных магнитных полей в изменении подвижности и распределения атомов, фазообразования и прочностных свойств при отжиге, импульсной или статической деформациях.
Впервые установлена зависимость фазового состава в диффузионной зоне от температуры и скорости импульсной деформации.
Результаты работы позволили выявить и обобщить экспериментальные закономерности диффузии и фазообразования в металлических материалах, пред-
ложить наиболее вероятные и физически обоснованные модели влияния внешних воздействий перераспределение атомов.
Практическая значимость. Впервые полученные уникальные и систематические экспериментальные данные по диффузии в условиях внешних воздействий позволили:
- более глубоко понять физические аспекты влияния импульсных
деформаций и магнитных полей на миграцию и распределение атомов в
самых разнообразных материалах при низких и повышенных
температурах;
Щ - целенаправленно использовать новые знания как основу для разработки
моделей и механизмов диффузии и фазообразования, стимулированной внешним воздействием в постоянном, переменном и импульсном магнитных полях;
- дать рекомендации по практическому использованию эффекта ускорения
переноса вещества и создания соединений с заданным составом при
разработке новых и совершенствовании существующих технологий
импульсной сварки давлением, термомагнитной и химикотермической
обработок.
Таким образом, в диссертации заложены основы нового научного направления, заключающегося в выявлении общих закономерностей процессов диффузии (массопереноса) и фазообразования в металлах и сплавах, подвергнутых деформированию в присутствии магнитных полей.
Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается использованием современных апробированных и общепризнанных методов исследования, воспроизводимостью результатов, полученных традиционных и разработанными автором способами, проверкой их независимыми методами исследования, сравнением с литературными данными.
Личный вклад автора в диссертационную работу. Автором лично осуществлены постановка задач и непосредственное участие в их решении на всех этапах работы; это позволило сформулировать положения, выносимые на защиту, разработать основные экспериментальные методики, провести анализ полученных результатов, предложить и обосновать модели и механизмы изучаемых явлений.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих всесоюзных, всероссийских и международных конференциях: I Всесоюзная конференция "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность металлов и сплавов" (Юрмала, 1987); Dimeta-88", Conference on diffusion in metals and alloys, abstracts.- 5-9 Sept. 1988 (Balatonfured, Hungary, 1988); «Диффузия и дефекты» Всесоюзная школа.- 10-18 июля 1989.- Пермь-Куйбышев-Пермь, 1989; Всес. конф. "Физика прочн. и. пласт, мет. и сплавов".- 27-29 июня 1989.- (Куйбышев, 1989); Международная конференция "DIMAT-96" (Германия, Нордкирхен, 1996 г.); International Workshop "Diffusion and diffusional phase transformations in alloys", "DIFTRANS-98", (Cherkasy, Ukraine, 1998); 1-я Международная научно-техническая конференция "Металлофизика и деформирование песпективных материалов", "Металлде-форм-99" (Самара, 1999); III Международная конференция "Взаимодействие излучений с твердым телом", "ВИТТ-99" (Минск, Беларусь, 1999); International Work-shop "Diffusion and diffusional phase transformations in alloys", "DIFTRANS-2001", (Cherkasy, Ukraine, 2001); Температуро-устойчивые функциональные покрытия", (Россия, Тула, 2001); Defect and Diffusion Forum, (Paris, 2001); VI Междунар. Конф. по модификации материалов пучками частиц и плазменными потоками (23-28 сентября 2002 г., Томск, Россия); XII Межд. Со-вещ. «Радиационная физика твёрдого тела», (Севастополь, 1-6 июня 2002 г.); III Международная конференция «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах», (Томск, 29 июля - 3 августа 2002 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 40 печатных работ,
а также издана монография «Массоперенос и фазообразование в металлах при
импульсных воздействиях».
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения. Объем диссертации - 293 страницы машинописного текста, включая 158 рисунков, 46 таблиц и списка литературы из 235 наименований на 24 стр.
Краткое содержание работы :
- исследованы закономерности диффузии, распределения атомов и фазооб-
<ф разования в металлах при импульсном сжатии нейтральной и насыщаю
щей средах;
изучено влияние многократной импульсной упругой деформации, осуществляемой ультразвуковой и электрогидроимпульсной обработками, ионной бомбардировкой в искровом, тлеющем и дуговом разрядах, на протекание диффузионных процессов в металлах;
определено влияние на массоперенос при импульсной пластической де-формации структурно-фазового состояния материала и параметров деформирования, и выявлены различия в скорости миграции атомов по глубине диффузионной зоны;
установлена взаимосвязь между фазовым составом диффузионной зоны и параметрами импульсного нагружения;
выявлено влияние ПМП на подвижность и распределение атомов с различными магнитными свойствами при изотермических отжигах, импульсных упругом и пластическом деформировании ферро-, пара- и диа-
магнетиков;
і*
- изучен вклад переменного магнитного поля в ускорение процессов диф
фузии и фазообразования при высоких температурах;
исследована роль импульсных электромагнитных полей и электрических токов в протекании процессов массопереноса в материалах, подвергнутых импульсной или статической деформации;
предложены модели переноса вещества для металлов, подвергнутых действию импульсного упругого, пластического и сопровождающегося наличием магнитного поля деформирования.
Работа выполнялась в 1996-2002 гг по договорам о двустороннем научном сотрудничестве на основе прямых связей между Институтом металлофизики им. Г.В.Курдюмова НАН Украины (ИМФ НАНУ) и Самарской Государственной сельскохозяйственной Академией (СГСХА) по теме «Исследование особенностей и механизма миграции атомов в металлах в условиях внешних воздействий».
Основные положения, выносимые на защиту :
Быстропротекающие упругие деформации приводят к ускорению процессов диффузии и образования фаз при низких температурах.
Фазовый состав и распределение атомов в диффузионной зоне деформируемых металлических материалов определяется температурой и скоростью импульсного пластического деформирования.
Наличие постоянных, переменных и импульсных магнитных полей усиливает влияние на изменение подвижности атомов и фазообразования изотермического отжига, импульсной и статической деформаций металлов с различными магнитными свойствами.
Определение времени диффузии и температуры деформируемого металла
Протекающий в неравновесных условиях массоперенос представляет собой результат одновременного действия нескольких процессов различной физической природы, включающих изменение структурно-фазового состояния кристалла, образование и релаксацию различных дефектов кристаллической решетки, возникновение напряжений и др. Сложности, возникающие при постановке и проведении экспериментов, понимании и трактовке их результатов, отсутствие единой теории и некоторые противоречия, возникающие в работах различных авторов, затрудняют исследования процессов массопереноса в условиях, далеких от равновесных. Однако к настоящему времени накоплен значительный экспериментальный материал, достаточно полно описывающий рассматриваемое явление, и совокупность этих результатов однозначно подтверждает существование данного явления и свидетельствует об условиях и характере его проявлений.
Известно, что наложение постоянного давления на металл приводит к изменению диффузионной подвижности атомов в нем. Так, например, было проведено исследование влияния всестороннего сжатия на диффузию углерода [21]. В работе методом радиоактивных изотопов (14С) изучали диффузию углерода в железе в интервале давлений от 0 до 20 кБар и температур 623, 713 и 823 К. Эксперименты показали, что с повышением давления диффузионная подвижность углерода уменьшается (табл. 1.1). Что касается атомов замещения, то, как было показано в работе [5], в условиях высоких давлений их подвижность также снижается. Однако, согласно [6,22,23-25], при деформировании железа, никеля с углеродом и биметалла алюминий - медь и др. взрывной волной с давлением от 3 до 200 кБар имеет место ускорение процессов само-, гетеро- и взаимной диффузии. То есть импульсное давление способствует увеличению подвижности диффузанта. При этом происходит их пластическое деформирование со скоростью от 10 до 107 с"1 и степенью от 10 до 20%.
Возникающая при взрыве в конденсированной среде проволочки, по которой проходит мощный импульс электрического тока (г 10"5 - 10"6 с, Еи 103 Дж) упругая деформация металла, находящегося в этой же жидкости, в процессе элек-трогидроимпульсной обработки (ЭГИ), также приводит к ускорению диффузии, несмотря на отсутствие пластической деформации даже в микрообъемах металла и комнатную температуру. Так, в работе [10] впервые были проделаны эксперименты по изучению самодиффузии железа при комнатной температуре в условиях динамического нагружения ударной волной при высоковольтном электрическом разряде в дистиллированной воде. Напряжение составляло 40 кВ, емкость конденсаторной батареи достигала значения 6-Ю" Ф, межэлектродный промежуток не превышал 25-30 мм, расстояние от оси канала до обрабатываемой поверхности (железного образца с покрытием 1 мкм слоя изотопа 55-59Fe) было равно 35 мкм. Проведенные авторами эксперименты показали, что не только имеет место перенос меченых атомов железа с поверхности на макроскопическое расстояние, но и сам процесс миграции атомов осуществляется по механизму объемной диффузии (рис. 1.1), несмотря на столь низкие для диффузии температуры и малые длительности упругого воздействия - не более 1 мкс. К сожалению, в дальнейшем это направление не получило должного развития.
Следует отметить, что наличие упругой деформации не всегда приводит к ускорению подвижности атомов. Так, исследование перемещения атомов поверхностного слоя в глубь материала, находящегося под действием термоупругих мартенситных превращений при низких температурах, например, в системе Си 15 Sn, показало, что перенос вещества практически не происходит. В то же время наложение пластической деформации на процесс превращения даже со скоростью 0,05 с" способствует значительному приросту коэффициента массопере-носа (в системах Fe-Ni, Fe-Ni-C) даже при криогенных температурах [8]. М,имп/мин л,/, еоо Рассмотрим другой вид импульсного упругого нагружения - ультразвуковую обработку (УЗО). Возрастание подвижности атомов в металле при нагреве в ус ловиях высокочастотных колебаний было обнаружено и исследовано рядом авто ров [26-29]. Однако различные условия эксперимента и недостаточно точные ме тоды оценки интенсивности ультразвуковых колебаний привели к противоречи вым результатам [30,31]. Так, еще в 1930 г. обнаружено ускорение процесса азо тирования сталей. В [30] азотирование хромоникелевомолибденовой стали при наложении высокочастотных колебаний при температуре 773 К увеличивает глу бину азотированного слоя до 0,35 мм по сравнению с глубиной порядка 0,01 мм, полученной при отсутствии ультразвуковых колебаний. Микротвердость также возрастает примерно в 3 раза. В [31 ] обнаружено повышение как скорости диффузии, так и количества продиффундировавшего азота, однако увеличения глу 16 бины проникновения атомов не было отмечено. В данном случае ускоряющее влияние ультразвуковых колебаний сказалось только на приповерхностной области. Увеличение скорости цементации примерно в 2 раза при мощных колебаниях образца с частотой 21,5 кГц обнаружено в работе [29]. Возрастание подвижности собственных атомов и атомов элементов замещения наблюдалось также в ряде работ [32-34]. Так, в системах Fe-Al, Cu-Ni, Ni-Si коэффициенты взаимной диффузии увеличиваются при колебаниях с частотой 22 кГц и амплитудой в пределах 0-16 мкм. При диффузионной ультразвуковой сварке меди, алюминия, стали ст.З, латуни Л62, константана и других образование соединения происходит за более короткое время, чем при диффузионной сварке [33]. Однако в работах [35-37] изменения диффузионной подвижности атомов не наблюдали. Не зафиксировано ускорения старения сплава и при воздействии ультразвука с частотой 750 кГц на образцы из сплава свинца с 10 % олова [35], а наблюдавшееся ранее ускорение старения алюминиевого сплава объяснено разогревом образца вследствие поглощения ультразвуковых колебаний. Изучение самодиффузии кадмия также показало отсутствие влияния ультразвуковых колебаний, осуществляемых с частотой 22 кГц [36]. Как следует из табл. 1.2, различия коэффициентов самодиффузии в озвученных и неозвученных образцах находятся в пределах погрешности эксперимента. По мнению авторов [37], ультразвуковые колебания с частотой 20 кГц не влияют на диффузию цинка в паре медь - латунь.
Диффузия в металлах в условиях ультразвукового и электрогидравлического воздействий
Анализ концентрационных профилей показывает, что приблизительно на глубине 50 мкм со стороны циркония наблюдается изменение кривизны профи ля, что связано с образованием новой фазы. Рентгеноструктурный анализ пока зал, что на фоне размытых и частично расщепленных пиков а-циркония (ряд твердых растворов переменной концентрации по глубине зоны) имеется систе ма линий новой кристаллической фазы, ранее неизвестной в системе Ni-Zr. Об наруженная фаза относится к тетрагональной сингонии и имеет следующие па раметры решетки: а = 1,00 нм и с = 1,5057 нм, с/а =1,5. Метастабильная фаза подобной симметрии ранее была обнаружена в системе Ni-Zr при кристаллиза . ции аморфного сплава Ni67Zr33. Однако при близких к обнаруженному значе нию а степень тетрагональное в два раза выше, чем в данном случае. Таким образом, из представленных выше литературных данных следует, что результаты исследования процессов фазообразования при внешних воздействиях являются фрагментарными. Тем не менее, есть насущная потребность получения систематизированного экспериментального материала для понимания и прогнозирования на его основе фазовых изменений в металлах и сплава в процессе эксплуатации, а также для создания материалов с заданным фазовым составом. При одновременном действии на деформируемый или отжигаемый металл какого-либо фактора воздействия происходит, как правило, дополнительное ускорение процесса переноса вещества. Одним из таких факторов является магнитное поле. Так, наложение импульсного электромагнитного поля на медленно растягиваемый без нагрева металл приводит к скачкообразному разупрочнению металла (эффект О.А.Троицкого [112]), что, в свою очередь, способствует резкому увеличению подвижности атомов поверхностного слоя, сопоставимой с диффузией в жидком металле. В работах [113,114] было проведено исследование взаимного проникновения меди и никеля при действии поля напряженностью 10 А/м и частотой 10 кГц (табл. 1.8). легировании (свыше 300 кА/м) изменяет скорость массопереноса, вносит некоторые особенности в процессы фазообразования и структурной перестройки [17,89,115]. В частности, обнаружена аморфизация меди при попадании в нее азота, кислорода, углекислого газа. Уменьшается количество кратеров на поверхности стали и титана при легировании молибденом и хромоникелевым сплавом (при энергии искрового разряда более 6 Дж). Глубины проникновения железа и хрома в железе и малоуглеродистой стали увеличиваются примерно в 1,3 - 1,5 раза, а концентрационные профили становятся более пологими. Следует отметить, что для серьезного анализа влияния ПМП на массоперенос при действии искровых разрядов нет достаточного количества данных в литературе, но даже из имеющегося материала можно предположить, что наличие магнитного поля сказывается как на ферро- и антиферромагнетиках, так и на металлах с пара- диамагнитными свойствами.
В процессе экспериментов, проведенных А.В. Покоевым с сотр., было обнаружено, что постоянное магнитное поле влияет на диффузионную подвижность атомов даже в стационарных изотермических условиях [116-137]. Первые попытки экспериментально обнаружить эффект влияния ПМП на диффузию в ферромагнитном поликристаллическом железе независимыми методами были предприняты в работах [116-119]. На первом этапе ставилась задача обнаружения эффекта в принципе, на втором - всестороннее изучение его закономерностей. Измерения DAI В поликристаллическом армко-Fe в ПМП выполнены рентгенографическим методом и методом, основанном на применении радиоактивных изотопов в интервале температур 730-820 С, напряженностей ПМП 0-398 кА/м (5 кЭ), времен отжига 2,5 - 24 ч; полевая зависимость коэффициентов диффузии измерена при температуре 730С при значениях напряженности ПМП: 0, 39,8, 79, 6 и 398,0 кА/м.
На рис. 1.12 приведены концентрационные распределения относительной активности А1 от глубины проникновения в армко-Fe для температуры отжига 730 С (24 ч) в ПМП и без него.
Предел растворимости А1 в Fe при 730С составляет 30 ат.% [138]. Предварительные теоретические оценки по критерию Р.Ш. Малковича показали, что при указанных режимах и используемых толщинах А1 реализуются граничные условия, соответствующие диффузии из постоянного источника. Подтверждением этого служит также линейность графика функции rj = х /(2 VD t) от х [139] (рис. 1.13), который строился по экспериментальной зависимости I/I0=f(x) и табличным значениям аргумента функции I/I0=erfc( х /(2 Л/D t)), описывающей распределение относительной активности (концентрации) диффузанта при диффузии из постоянного источника. Далее по тангенсу угла наклона этой пря-мой и соотношению D=(4t tg а)", где t - время отжига можно вычислить коэффициент D. Линейный коэффициент поглощения (3-частиц в образцах составлял 1800 м", что, согласно [140], обеспечивало в условиях данного эксперимента точность измерения КД -1-3%. Предполагалось, что ПМП может повлиять на форму концентрационных распределений, поскольку в случае действия на атомы, например, вынуждающей силы, концентрационные распределения могут существенно деформироваться. Приведенные на рисунке распределения хорошо описываются решением уравнения диффузии из постоянного источника, поэтому их можно характеризовать эффективным КД DH.
Влияние дефектов кристаллической структуры на массоперенос
Основными узлами установки являются тиристорный регулятор напряжения 1, высоковольтный трансформатор 2, высоковольтный выпрямитель 3, ограничивающий резистор 4, устройство отключения зарядной цепи 5, конденсатор или конденсаторная батарея 6, коммутационный разрядник 7, блок управления и контроля 8, устройство контроля и регистрации параметров ударной волны (запоминающий осциллограф) 9, металлический бак 10, взрывающаяся проволочка 11, пьезокерамический датчик 12, а также рабочие электроды. В момент разряда между электродами образуется высокопроводящий канал, в который быстро вводится энергия, накопленная в конденсаторной батарее. Под действием огромного давления (1-Й,5)-10 МПа канал расширяется радиально с большой скоростью. В жидкости создается давление плазмы и под его действием она сжимается. Режим обработки характеризуется следующими параметрами: напряжение 50 кВ, емкость конденсаторной батареи от 3-10" до 9-Ю"6 Ф, межэлектродный промежуток 25-30 мм, расстояние от оси канала разряда до обрабатываемой поверхности 35 мм. Среда - дистиллированная вода. Для переднего фронта волны свойственна большая крутизна (не более 1 мкс). Давление на фронте ударной волны достигало 200-220 МПа, а ее скорость составляла 3-Ю5 см/с. Нагружение осуществлялось по 2-м схемам. В первом случае образец помещали непосредственно в емкость с водой, при этом слой радиоактивного изотопа (как правило, меченые собственные атомы) был обращен в сторону источника ударных волн, и образец подвергался только упругой деформации. Во втором случае импульсное воздействие на образец производили через боек, который приводился в движение в результате динамического нагружения ударной волной, возникающей при высоковольтном импульсном (крутой передний фронт длительностью 10"6 с) электрическом разряде в конденсированной среде. В качестве среды использовалась дистиллированная вода при комнатной температуре. Скорость деформации при этом достигала величины -10 с" .
Аналогичным образом помимо озвучивания с ультразвуковой частотой исследовались диффузионные процессы и при наложении на ультразвуковую обработку импульсной пластической деформации. Методика, применяемая для упругого деформирования описана в [27], а способ ультразвуковой ударной обработки и устройство для возбуждения ультразвуковых колебаний, сопровождающихся пластической деформацией изложены в [3,4,26]. Амплитуда колебаний достигала 20 мкм, частота УЗ-колебаний не превышала 30 кГц, длительность обработки составляла 1 - 6 с. Эксперименты проводили в интервале температур 473 - 873 К. То есть ультразвуковые колебания использовали как средство для создания многократного ударного нагружения со скоростями пластической деформации 0,1 - 0,5 с 1 путем соударения колеблющегося с высокой частотой бойка и исследуемых материалов (рис. 2.3 [26]). образец, 7-корпус, 8 - ступенчатый концентратор, 9 - камера вакуумной системы. Одним из способов упругого деформирования является также ионная бомбардировка, осуществляемая в газовых разрядах.
Обработку металлов в тлеющем разряде производили по диодной схеме. Катодное облучение образцов из различных металлов и сплавов осуществляли в камере диодного типа диаметром 150 мм, изготовленной из нержавеющей стали. Расстояние между анодом, представляющим собой полый молибденовый цилиндр диаметром 30 мм и длиной 40 мм, и катодом в зависимости от формы и размера образцов изменялось в пределах 150 - 200 мм. Исходя из поставленной задачи образцы имели вид фолы толщиной от 5 до 50 мкм, цилиндров высотой и диаметром 10 мм или пластин размером 10x10x5 мм. С целью получения сопоставимых результатов обработку цилиндрических образцов проводили либо всех одновременно, либо путем последовательного облучения каждого образца. Для осуществления последовательной обработки образцов производилась их смена на катоде в процессе ионной бомбардировки. Для этого их помещали в специальную кассету, содержащую изготовленную из окиси циркония трубку и применяемую для крепления образцов и защиты их боковых поверхностей втулку из фторопласта. Для одновременной обработки образцы помещали в служащую катодом стальную оправку диаметром 60 мм, в которой они располагались по окружности диаметром 50 мм симметрично относительно анода. Оправку, кассету, фольги или плоские образцы помещали в вакуумную камеру, которую откачивали до 10 4 Па и заполняли через систему напуска и очистки газовой средой до давления 10 - 1500 Па. Газовыми средами служили гелий, аргон, азот, меченый по углероду (14С) метан, криптон и др. Основная часть экспериментальных исследований проведена при инициировании тлеющего разряда в среде аргона, содержащего небольшие добавки радиоактивного криптона Кг. Плотность тока составляла 0,5 - 40 мА/см и ограничивалась как режимом горения тлеющего разряда, так и температурой образцов, не превышавшей 473 - 493 К. Напряжение между анодом и катодом, которое определяет энергию ионов, составляло 1 ч- 1,5 кВ. Продолжительность бомбардировки в тлеющем разряде изменялась от 1 до 55 ч. Для изучения влияния ионной бомбардировки в тлеющем разряде на перераспределение и миграцию атомов поверхностных слоев на поверхность образцов электролитически, в твердом карбюризаторе или насыщением из газовой фазы наносили радиоактивные изотопы различных элементов, в том числе, образующих твердые растворы различного типа (замещения - 55Fe, 63Ni, 44Ti, внедрения - N2, С, в том числе и радиоактивный изотоп углерода 14С, вычитания - Аг) и нерастворимых в равновесных условиях (например, 137Cs).
Перераспределение атомов в металлах, подвергнутых скоростному деформированию в импульсном магнитном поле
Принцип их действия основан на генерировании электроискровых разрядов между двумя электродами (катодом - обрабатываемое изделие и анодом Ф материал, предназначенный для легирования обрабатываемой поверхности) при подаче на них напряжения с генератора. Эти установки позволяют в широком диапазоне изменять энергию разряда (0,3-15 Дж) и длительность импульса (6-200 мкс). При этом частота следования импульсов v 60 Гц. Кроме того, в ряде случаев легирование проводилось при наложении на обрабатываемый образец постоянного магнитного поля (до 8 КЭ) и прямом действии на него постоянного или импульсного тока (0,5-4 А/мм ). В экспериментах применяли также бесконтактный метод легирования, при котором варьировалась величина межэлектродного промежутка (МЭП). Импульсное нагружение осуществлялось как на воздухе, так и в различных средах, что позволяло одновременно вводить в обрабатываемый материал примеси различного типа (замещения и внедрения).
Эксперименты по изучению особенностей протекания процессов диффузии и образования фаз в материалах, подвергнутых действию скоростных пластических деформаций, проводили на чистых металлах, твердых растворах различного типа, сложнолегированных сталях и сплавах. Все материалы для создания заданного вида и количества структурных дефектов были подвергнуты предварительной обработке: отжиг, закалка или деформация. Применяли как моно-, так и поликристаллы с размером зерна от 1 мкм до 1 мм. В зависимости от вида нагружения и схемы эксперимента образцы имели различную форму (параллелепипед, сплошной или полый цилиндр). Рабочие поверхности готовились таким образом, чтобы определенная по профилографу величина микронеровностей была меньше 0,1 мкм, и после электрополировки они протравливались для выявления зеренной структуры. При нанесении на образцы металлических покрытий применяли гальванический способ и испарение в вакууме. Толщины покрытий составляли от 0,1 до 1 мкм. Состав покрытий был постоянный по поверхности и толщине с точностью до 3-5 %. Равномерность радиоактивных покрытий контролировалась путем авторадиографирования покрытых поверхностей, при этом отличие в почернении в различных точках поверхности не превышало 5 % .
В ряде экспериментов при деформации двух попарно сложенных образцов между ними помещали фольги толщиной от 5 до 20 мкм. Углерод (в том числе и радиоактивный изотоп 14С) и газы вводили в приповерхностный слой путем обработки в тлеющем разряде в соответствующей среде (метан, азот, инертные газы, включая радиоактивный изотоп Кг). Также углерод вводили с помощью твердого карбюризатора ВаСОз, меченого по углероду.
Для подробного исследования массопереноса в широком интервале температур и скоростей пластической деформации были применены существующие способы нагружения металлов, а также созданы новые, позволившие получить цельную картину протекания тех процессов, которые происходят в кристаллической решетке при наложении импульсных воздействий.
Особенности миграции атомов в твердой фазе металлов и сплавов в условиях ударного сжатия изучались на установке для ударной сварки в вакууме [141]. Конструкция установки (рис. 2.5 а) и ее технические возможности для соединения материалов в твердом состоянии описаны в работе [142]. Сущность разработанного способа нагружения и сварки заключается в приложении импульсной нагрузки с помощью однократного удара падающим грузом по одному или двум приведенным в контакт однородным или разнородным материалам, предварительно нагретым до определенной температуры. В экспериментах, посвященных исследованию процессов массопереноса, покрытия наносили на торцевые стороны образцов. Основными узлами установки являются вакуумная рабочая камера, в которую входят электронно-лучевой нагреватель, производящий быстрый локальный нагрев поверхности или зоны контакта двух образцов; механизм сжатия и ударное устройство, позволяющее получать более высокие по сравнению с другими способами скоростей пластической деформации. Последнее представляет собой находящийся вне вакуумной камеры груз, который падает свободно или с необходимым ускорением. Масса ударника и скорость перемещения обеспечивают необходимую энергию, идущую на образование сварного соединения. Степень деформации обычно составляла 10-15 %, что обеспечивало равные условия проведения экспериментов. Для равномерного нагрева металла электронному лучу задается скорость вращения с частотой от 10" до 10 Гц. Для измерения температуры образца используется как термопара, приваренная к образцу, так и оптический датчик фотоэлектрического пирометра, прикрепленный к специальному окошку в рабочей камере. Максимальная температура нагрева образца перед деформированием составляет 3000 К. Для деформации в условиях низких температур применяли охлаждение в воде, находящейся в равновесии со льдом; жидких формальдегиде, аммиаке, азоте. В ряде экспериментов образцы для быстрого охлаждения от высоких температур заливались жидким азотом сразу после удара.
Общее время процесса имеет вид: г = Г1+г2+гз+г4 (2.1), где т\ -время предварительного прогрева образца до температуры эксперимента; г 2 -время выдержки при температуре проведения эксперимента в отсутствие нагрузки; г3 - время приложения динамической нагрузки; г4 - время остывания образцов (рис. 2.5 б). Величина г і обычно не превышала 2 мин, что обеспечивало локальный нагрев в зоне контакта образцов. Время х г выбирали, исходя из условий равномерного прогрева образцов по глубине контакта; обычно оно составляло 1-2 мин. Время нагружения г3, т.е. продолжительность пластической деформации образцов в момент действия динамического давления фиксировалось экспериментально с помощью шлейфового осциллографа. Обычно оно составляло 10" -10" с.
Похожие диссертации на Само- и гетеродиффузия в металлах при действии магнитных полей и импульсных деформаций
