Введение к работе
Актуальность проблемы: Исследование многочисленных физических аспектов проблемы улучшения структурных и физических свойств жаропрочных сплавов будет оставаться актуальным, по-видимому, еще в течение многих лет. Последнее определяется, с одной стороны, тем. что при повышении температуры эксплуатации изделий пытаются использовать известные жаропрочные материалы (стабильность структуры которых детально исследовалась при меньших температурах), а, с другой - созданием новых жаропрочных многофазных и композиционных материалов, в которых недостаточно изучены вопросы эволюции структуры и изменения физико-химических свойств материалов в условиях длительного испытания при повышенных температурах. Значительное удорожание создания и производства новы:; жаропрочных материалов делает все более актуальной возможность прогнозирования свойств сложных по составу систем на основе компьютерного моделирования. Естественно, что решение соответствующих задач невозможно без правильного учета всех физических процессов, возникающих в сплавах при. повышенных температурах.
Одними из жаропрочных материалов, где сумели удачно решить проблему стабильности структуры, явились дисперсно-упрочненные сплавы с тугоплавкими, малорастворимыми частицами окислов типа Hf02, Zr02, Th02. А1203 и др. Эксплуатация материалов с тугоплавкими окислами при Т = (0,5 * 0,75)-Тпл (где Тпл - температура плавления матрицы) не приводила к растворению стабильных частиц, а миграция границы в сплаве с частицами была затруднена вследствие взаимодействия'границ зерен с частицами (обычно рассматриваемого в рамках приближения Зинера). Соответствующие физические аспекты эволюции структуры дисперсно-упрочненнь"< сплавов рассмотрены в отечественных и зарубежных монографиях, обзорах и статьях.
В то же время остаются невыясненными'некоторые аспекты стабильности структуры дисперсно-упрочненных сплавов. Например, в условиях высокотемпературного отжига при качественном соответствии приближения Зинера уменьшению скорости миграции границы в сплаве.с частицами часто фиксируют количественное несовпадение силы торможения, зависящей от параметров сплава, модели Зинера [11. Кроме того, уже в 1968 г. на примере сплавов Cu-Ge02. Си-Вг03 и Cu-S102 было обнаружено движение аморфных и жидких частиц в металлах [2]. Позднее в работах Ю. Р. Колобова и Л.С. Бушне-
-і -
ва на системах til--Hf02. Ni-Zr02. Ni-Th02 и Ni-Y203 [3] было показано, что также возможно движение кристаллических частиц и что это движение .контролирует рекристаллизацию жаропрочных дисперсно-упрочненных сплавов. В ?* же время, перестройка структуры дисперсно-упрочненных сплавов при совместном движении границы зерна (ГЗ) с частицами.;: как правило, не предусматривается современными моделями, описывающими эволюцию структуры в жаропрочных сплавах. При построении.соответствующих моделей следует учитывать существующие представления о взаимодействии с частицами дислокаций.
Кроме того, влияниедиффузионных процессов на структурную перестройку жаропрочных сплавов при повышенных температурах включает в себя множество физических аспектов; некоторые из которых выявляются непосредственно, в ходе испытаний. Например, использование композиционных материалов и покрытий на основе жаропрочных сплавов., таких как Ш3А1, делает актуальным вопросы влияния диффузии атомов, входящих в:состав материала, контактирующего с жаропрочным сплавом. на структурные и прочностные свойства последнего. Естественным представляется исследовать соответствующие процессы в практически важных системах, например. Ш3А1-сталь.
Цель работы; выяснение. Физических механизмов процессов, контролирующих- стабильность зеренной структуры жаропрочных дисперсно-упрочненных' сплавов на основе никеля, содержащих подвижные частицы/ Установить закономерности процессов, сопровождающих межфазное диффузионное взаимодействие в системе Н13А1-сталь. и дать им физическую интерпретацию. Были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать влияние структурного состояния дисперсно-уп
рочненного сплава на порообразование при ползучести на примере
сплава Ni-Hf02. , '
-
Провести анализ стабильности зеренной структуры дисперсно-упрочненных сплавов с учетом искривления границы между частицами. Исследовать зависимость радиуса кривизны границы от движущей силы миграции, межчастичного расстояния и энергий' границы зерна на единицу площади. Провести анализ условий отрыва мигрирующей границы от подвижных - стабильных частиц при исследовании .сплава Nl-Hf02. .
-
Построить физическую модель совместного движения границы зерна с частицами с учетом изгиба границы и равенства скоростей различных, структурных элементов. На. основе построенной модели провести анализ имеющихся в литературе данных и оригинальных исс-
ледовании по кинетике движения комплекса граница зерна-частицы в тисперсно-упрочненных никелеЕЫХ сплавах.
-
Исследовать механизмы движения индивидуальных частиц в сплавах Nl-Hf02. Wl-Zr02 и Nl-Th02 в исходном состоянии, а также после диффузионного насыщения серой и бором. Исследовать физическую природу влияния примеси на изменение механизма движения частиц. Построить физическую модель движения индивидуальной частицы, з том числе для сплава с широким распределением частиц по размерам.
-
Исследовать физические процессы, контролирующие структурные игменения и механические свойства в межфазной диффузионной зоне на границе раздела М3А1-сталь. Исследовать диффузионные параметры при диффузионном взаимодействии в системе т3А1-сталь.
Экспериментальные методы исследования включали высокотемпературные отжиги в вакууме, определение микротвердости, определение механических свойств при ползучести, просвечивающую электронную микроскопию и электронную микроскопию на репликах, рентге-ноструктурный анализ, рентгеноспектральній микроанализ, методы интерференционной и оптической микроскопии.
Научная новизна. Проведен анализ стабильности зеренной структуры дисперсно-упрочненного сплава с учетом изгиба границы между частицами. Отмечается, что миграция ГЗ в сплаве с частицами заведомо обуславливает сложный рельеф поверхности границы, и ее нельзя отождествлять с плоской жесткой поверхностью. Показано, что условия отрыза в сплаве с частицами не определяются силовыми критериями, а зависят от радиуса кривизны изогнутой границы и локальной конфигурации частиц, с использованием нового критерия -равенства скорости частицы и границы исследована термодинамика и кинетика совместной миграции границы и частиц при первичной и собирательной рекристаллизации. На примере сплава Nl-Hfo2 показано, что при первичной рекристаллизации скорость всего комплекса на этапе накопления частиц не меняется, а на этапе одновременного накопления и коалесценции частиц зависит от механизма движения индивидуальной частицы и механизма коалесценции. Отмечается, что при собирательной рекристаллизации на этапе накопления взаимодействие границы и частицы может уменьшиться по сравнению с максимально возможным значением. С учетом предложенной модели совместной миграции границы и частиц сделан прогноз возможных кине-тик миграции комплекса граница зерна-частицы в сплавах с различ-
ным механизмом движения индивидуальных частиц. Полученные экспериментально результаты, по кинетике скорости комплекса и ширины
, свободной зоны-в': сплавах Н1-НГ0г. Hi-Zr02 . иЯі-Т№г. .в том числе
с содержанием; серы .и .бпра.,'. соответствуют, построенному в работе
прогнозу^ .'Предложена.-.модифицированная модель.движения индивиду
альных, частиц ;с учетом влияния поверхностно-активных примесей, и с
учетом' ,; гистограммы распределения частиц по^ размерам. Определены
диффузионные.,параметры в снстеме.-Мі3АЬсталь.при межфазном диффу
зионном взаимодействии. \ .'';'.-, '„:'.'',
": . Практическая значимость. Результаты. исследований работы дают
новые, -;,более;'глубокие представления'о.физических аспектах мигра
ций, границ: зерен в сплаве'с квазинеподвижннми частицами, о взаи
модействии границ, зерзд.счз,^ ; в том числе в условиях сов
местной, миграциіі/й локального отрыва ГЗ от частиц. Построенная
модель,.совмёстнрй, миграции граниїда со стабильными частицами адек-
. ватно, описывает ;существующ!!е экспериментальные результаты и позволяет. прогнозировать основные закономерности движения комплекса ,ГЗ-частицы.в,дисперсно-упрочненных сплавах, .Полученные результаты и - построенный.'прогноз позволяют описывать возможное влияние по-
верхностно-активных; примесей различной, природы на смену механизма
движения'частиц, и.-.- как следствие, на кинетику движения, комплекса
граница .зерна-частицы.:. в том числе-для частиц окислов, карбидов и
нитридов в; никелевой'.и медной матрице. Развитые представления мо
гут быть использованы при.выработке.практических рекомендаций по
химическому составу жаропрочных дисперсно-упрочненных сплавов, и
при построении численных критериев -стабильности структуры дис
персно-упрочненных, сплавов.' в том числе на-основе компьютерного
моделирования. ;. '" . . ' "
Результаты,работы .позволяют в дальнейшем разра'ботать модель
влияния диффузии и способа получения Ni3Al на структурные и меха
нические .свойства . композиционных', материалов с прогнозированием
соответствующего процесса и рекомендацией по способам подавления
нежелательных.процессов.. : '
На защиту выносятся следующие основные положения.
-
Новые качественные критерии стабильности структуры дисперсно-упрочненных сплавов с квазинеподвижными частицами,. базирующиеся на учете изгиба и отрыва мигрирующей границы от частиц, в том, числе, в. условиях совместной миграции.
-
Условие локального отрыва мигрирующей границы от частиц и
его экспериментальное обоснование. _ ..-...;... . ;..:-......'-::
-
Физическая модель совместной миграции границы зерна и частиц, основанная на учете равенства скоростей границы,и частиц, и ее экспериментальная верификация.
-
Совокупность экспериментальных результатов по закономерностям и механизмам движения кристаллических частиц'в.дисперсно-упрочненных никелевых сплавах, в том числе с содержанием серы и бора. Модифицированная физическая модель диффузионного движения, кристаллических частиц в металлической матрице;'-. .::..:.--'
Апробация работа. Результаты работы-докладывались; и обсужда
лись ка следующих конференциях, семинарах и совещаниях: XI Всесо
юзной конференции "Физики прочности и .пластичности, металлов и
сплавов" (Куйбышев, 1986); Всесоюзном семинаре "Кинетика и термо
динами пластической деформации" (Барнаул, 1988);. -. I Всесоюзном
симпозиуме "Новые жаропрочные и- жаростойкие .металлические матери
алы" (Москва, 1989); Региональной научно-технической'конференции
"Модификация поверхностей конструкционных материалов.го. целью по-,
вышения износостойкости и долговечности деталей .машин,"v (Благове^..
щенск. 1ЭЭО.): Всесоюзном семинаре "Актуальные проблемы прочности"
(Новгород. 1991); XXXI научно-технической конференции (Владивос
ток. 1991); Научно-технических конференциях "Проблемы текстильной
и легкой промышленности, механики, строительства и энергетики
(Благовещенск. 1992,1993); Межреспубликанском семинаре "Актуаль
ные проблемы прочности" (Псков, 1993); Международном научном со
вещании Амур-94 "Лазерная обработка поверхности" (Благовещенск,
1994); Международной конференции "Poedermetallurgle" (Делфт, Ни
дерланды. 1994); Международной конференции. .."Компьютер-.
ное конструирование. перспективных ." материалов . и,-.;;, технологий"
(Томск. 1995): Региональной научно-технической конференции "Даль
ний Восток России" (Хабаровск. 1995); Российской научно-техничес
кой конференции "Новые материалы" й^тбяірлоШі'ІхСЙрсква.'''- 1995):
Международной конференции "Mesbfracttife"; (Томск./; :1Й96):' Междуна-
родном семинаре "Эволюция дефектных структур .в ..'конденсированных
средах" (Барнаулі 1996jf Симпозиуме "Синергетика. Структура и
свойства материалов. Самоорганизующиеся технологии" (Москва,
1996).. .--.-. . .-. -':-v-\ '.:::-.::: :::-"* -"..
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в..монографии, 26-х статьях и 22-и тезисах; перечень основных публикаций приве-
.-8.-
ден в конце автореферата.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, общих выводов и списка литературы. Она содержит 247 страниц машинописного текста, 12 таблиц. 69 рисунков и 236 ссылок на работы отечественных и зарубежных авторов.
