Содержание к диссертации
стр.
Введение 4
I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 9
Основы феноменологической теории диффузии 9
Методы расчета коэффициента взаимной диффузии... 15
Закономерности протекания диффузии в бинарных и
и трехкомпонентных системах ., 29
Концентрационная зависимость коэффициентов взаимной диффузии 29
Температурная зависимость коэффициентов взаимной диффузии 37
Методы исследования диффузии 42
Цели и задачи исследования 46
П. МЕТОДИКА ПРОВІЩЕНИЙ ЭКСПЕРИМЕНТА 49
Приготовление диффузионных образцов 49
Получение концентрационных кривых и введение поправок 53
Оценка погрешности при измерении коэффициентов
диффузии б3
Ш. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМНОЙ ДИФФУЗИИ В БИНАРНЫХ
СИСТЕМАХ ТИТАН-ВАНАД№їДИТАН-НИОЕИЙ,ВАНАДИЙ-НИОБИИ,
ШОБИЙ-ЦИРКОНИЙ и ТИТАН-ЦИРКОНИЙ 66
Экспериментальные данные для системы Ти - V 67
Особенности протекания диффузии при относительно низких температурах в системе Тс - N* .... 72
Взаимная диффузия в системе t\/S- V ?6
4. Результаты исследования взаимной диффузии
в системе N9- tz 78
5. Анализ экспериментальных и литературных данных
по взаимной диффузии в системе Ті -2г 84
6. Обсуждение полученных результатов 87
ІУ. ВЗАИМНАЯ ДИФФУЗИЯ В ТРЕХКОМПОНЕНТЫОЙ СИСТЕМЕ
ТИТАН-ВАНАДИЙ-НИОЕИЙ 100
Методика определения коэффициентов взаимной диффузии 100
Концентрационная зависимость коэффициентов взаимной диффузии 104
Данные при 1200С 105
Результаты исследования при Ю00С ИЗ
Влияние полиморфного превращения титана
на диффузионные процессы при 800С 119
Температурная зависимость коэффициентов взаимной диффузии 133
Аналитическое представление концентрационной зависимости параметров взаимной диффузии 137
Инвариантные коэффициенты диффузии 148
6. Обсуждение полученных результатов 150
ВЫВОДЫ 159
ЛИТЕРАТУРА 162
ПРИЛОЖЕНИЕ 184
Введение к работе
На современном этапе научно-технической революции потребности народного хозяйства вызывают все возрастающий спрос на металлические материалы с заданными физико-химическими,техно -логическими и эксплуатационными свойствами. Весьма перспективными в этом отношении являются сплавы на основе тугоплавких металлов ( Ті , V , Nf> , Ъ*1 ).
Титан и его сплавы сочетают в себе высокую коррозионную стойкость и удельную прочность,технологичность и свариваемость, нехладноломкость, немагнитность и ряд других ценных физико-механических характеристик. Такое благоприятное сочетание наряду с богатыми природными ресурсами обеспечивает титановым сплавам ведущее место среди других материалов. Наиболее ярко преиму -щества их проявляются при высоких температурах, когда легкие алюминиевые и магниевые сплавы практически не могут применяться ввиду низкой прочности, а стали и никелевые сплавы являют -ся слишком тяжелыми.
Вследствие этого применение титановых сплавов и замена ими других материалов дает значительную экономию в весе конструкций и увеличивает долговечность деталей при их эксплуатации. Титановые изделия хорошо зарекомендовали себя практически во всех отраслях народного хозяйства - от авиации,космонавтики и атомной энергетики до производства товаров народного потребления.
Ванадий, ниобий и цирконий обладают высокими температурами плавления,жаропрочностью,упругостью,пластичностью,высокими температурами перехода в сверхпроводящее состояние, низки -
ми температурами перехода из пластичного в хрупкое состояние и малыми поперечными сечениями захвата нейтронов, что и обусловило их широкое применение в ракетостроении, радиотехнике и атомной энергетике» Они могут противостоять действию расплавленного урана и его сплавов, а также очищенного от кислорода натрия и лития, применяемых в качестве теплоносителей в реакторе.
Особо следует отметить, что ванадий, ниобий и цирконий яв -ляются важными легирующими элементами титановых сплавов. При легировании этими металлами значительно поднимаются рабочие температуры, а также улучшаются электрические и механические свойства титана. Все это позволяет говорить о перспективности изучения сплавов этих металлов с целью получения новых материалов для работы в условиях агрессивных сред и высоких температур (для атомной энергетики и космонавтики).
В таких условиях свойства сплавов, технология их получения, режим термообработки и эксплуатации в основном контролируются диффузионными процессами. Диффузионные явления в металлах и сплавах определяют также ряд процессов, протекающих в твердой фазе (гомогенизация, рекристаллизация, старение, кинетика роста фаз и др.) и представляют особый интерес как один из самых неразработанных разделов интенсивно развивающейся области науки, называемой физической кинетикой. Кроме того, непосредственной характеристикой, отражающей жаропрочные свойства сплавов, является подвижность атомов, характеризуемая коэффициентом диффузии. Экспериментально установлено, что максимальные жаропрочные свойства сплавов бинарных металлических систем, образующих не -прерывный ряд твердых растворов, наблюдаются при максимальных энергиях активации и минимальных коэффициентах взаимной диффу-
зии. Энергия активации ползучести практически равняется энергии активации взаимной диффузии. Одинаковый характер температурной зависимости имеют обе величины: скорость высокотемпературной ползучести и коэффициент диффузии. В связи с этим всестороннее исследование процесса диффузии в металлах и сплавах,выяснение особенностей и закономерностей его протекания в различных условиях представляет не только теоретический, но и практический интерес. Результаты такого исследования позволяют количественно описывать направление и скорость протекания различных технологических процессов, обусловленных диффузией,судить о природе и кинетике роста фаз, образующихся в данной системе, прогнозировать новые материалы с заданными свойствами и разрабатывать способы защиты их от воздействия окружающей среды, т.е, эффективно и экономно использовать их в народном хозяйстве,
К настоящему времени опубликовано большое количество работ по теоретическому и экспериментальному исследованию диффузии в бинарных металлических системах. Однако, несмотря на изобилие экспериментальных данных, до сих пор не полностью изучена кон -центрационная и температурная зависимость диффузионных параметров в бинарных системах. Наблюдается значительный разброс по абсолютным значениям, полученным для одних и тех же систем различными авторами. Поэтому необходимо провести систематизацию их и выявление общих закономерностей с тем, чтобы многочисленные результаты можно было бы использовать на практике,Кроме того, систематическое изучение эмпирически найденных закономерностей позволяет получить теоретические представления о процессе и вывести соответствующие уравнения. Нет ясного понимания корреля -пни между диффузионными параметрами и другими термодинамическими характеристиками сплавов.
Изучение же взаимной диффузии в многокомпонентных^ частности трехкомпонентных системах, только начинается.Трудность проблемы состоит в том,что взаимная диффузия в многокомпонентных системах имеет очень сложный характер и описывается боль -шим числом параметров. Поэтому до настоящего времени не разработана строгая методика экспериментального определения их, не изучены эмпирические закономерности и практически отсутствуют диффузионные данные по многокомпонентным системам,широко применяемым в технике. Все это привело к необходимости:
экспериментально исследовать взаимную диффузию в бинарных системах;
статистически проанализировать полученные результаты, сравнивая их с литературными данными, попытаться прогнозиро -вать ход диффузии;
систематически исследовать взаимную диффузию и опре -делить диффузионные параметры в системе титан-ванадий-ниобий;
дать анализ температурной и концентрационной зависи -мости коэффициентов диффузии в трехкомпонентной системе ти -тан-ванадий-ниобий и сопоставить полученные результаты с соответствующими данными по бинарным системам;
рассмотреть вопрос о корреляции между концентрационной зависимостью взаимных коэффициентов диффузии и ходом линий солидуса для двойных систем.
Диссертация состоит из четырех глав,
В первой главе проанализированы современные теоретиче -ские представления о процессе взаимной диффузии,рассмотрены основные методы решения диффузионных уравнений и экспериментального изучения диффузии в бинарных и трехкомпонентных системах.
Во второй главе подробно описана методика проведения эксперимента,получения концентрационных кривых, введения по -правок и оценки точности полученных результатов.
В третьей главе изложены и обсуждены экспериментальные и литературные данные по двойным системам. Проведен статистиче -ский анализ их.
В четвертой главе приводятся результаты экспериментального исследования взаимной диффузии в системе титан-ванадий-ниобий. Дается температурная и концентрационная зависимость коэффициентов взаимной диффузии. Проведена проверка предельных соотношений. В конце главы обсуждаются полученные результаты.
