Введение к работе
Актуальность. Одним из возможных путей повышения теплопрочности сплавов является дисперсное упрочнение - введение дисперсных частиц второй фазы, равномерно распределенных в объеме металла. Дисперсные частицы, находящиеся в металлической матрице, тормозят образование и рост новых зерен в процессе рекристаллизации, что позволяет сохранить мелкозернистое строение матрицы при длительном воздействии высоких температур. Такая структура матрицы обеспечивает длительную работоспособность (до 0,9-0,95 Тщ,), стойкость к циклическим нагрузкам и эксплуатационную надежность материалов.
В то же время остаются невыясненными многие аспекты термодинамики и кинетики процесса торможения мигрирующей границы зерна частицами второй фазы в условиях воздействия высоких температур. Существующие модели стабильности зеренной структуры имеют значительное количественное расхождение с экспериментальными данными, так как не учитывают диффузионную подвижность частиц, влияние температуры испытаний, изгиб границы зерна между частицами при первичной рекристаллизации. Одной из основных задач данной работы является построение адекватной физической модели термодинамических и кинетических процессов, протекающих в двухфазной системе металлическая матрица - дисперсные частицы в широком диапазоне температур. Адекватность такой физической модели определяется, в частности, возможностью прогнозирования условий стабильности зеренной структуры дисперсно-упрочненных сплавов в условиях воздействия высоких температур и возможностью создания материалов с улучшенными физическими свойствами: высокой теплопрочностыо, пластичностью, вязкостью, сопротивлением ползучести, коррозионной стойкостью, низкой температурой вязкохрупкого перехода. Роль прогноза в условиях производства особенно существенна, так как для проведения предварительного эксперимента необходимо время и значительные материальные ресурсы.
Работа выполнена в соответствии с координационными планами НИР и ОКР АГТУ (тема «Динамика и термодинамика нелинейных систем» № гос. регистрации 0186096520).
Цель диссертационной работы заключается в теоретическом исследовании особенностей термодинамики и кинетики процесса торможения мигрирующей границы зерна частицами второй фазы при рекристаллизации в условиях воздействия высоких температур, в том числе за счет накопления частиц на мигрирующей границе зерна, выявлении оптимального механизма массопереноса в процессе движения частиц, разработке на этой основе методов прогнозирования стабильности зеренной структуры двухфазной системы металлическая матрица - дисперсные частицы, а также рекомендаций по созданию дисперсно-упрочненных сплавов с улучшенными физическими свойствами.
Объект исследования. Термодинамические и переносные процессы в двухфазной системе металлическая матрица - дисперсные частицы.
Методика исследований. Основой исследования является термодинамический анализ процесса торможения роста зерна частицами второй фазы при рекристаллизации, а также использование при этом известных из литературы экспериментальных данных с целью подтверждения результатов теоретического анализа.
Достоверность и обоснованность результатов базируерЖ^а"^пр7іюрвании-—
фундаментальных термодинамических положений и теории массопереноса при моделировании условии стабильности зеренной структуры в двухфазной системе металлическая матрица - дисперсные частицы. Согласование результатов численных критериев стабильности зеренной структуры для конкретных дисперсно-упрочненных сплавов, рассчитанных по предложенным в работе моделям, с экспериментальными данными позволяют говорить о достоверности полученных результатов и рекомендовать их для практического использования. Научная новизна результатов работы.
-
Разработаны две физические модели стабильности структуры двухфазной системы металлическая матрица - дисперсные частицы при воздействии высоких температур: кинетическая, учитывающая изгиб границы зерна между частицами и термодинамическая, учитывающая диффузионную подвижность частиц.
-
Показано, что условия торможения мигрирующей границы зерна частицами второй фазы не определяются силовыми критериями, а зависят от зернограничной энергии, термодинамической движущей силы миграции и подвижности фаницы ' зерна, температуры, механизма массопереноса, контролирующего движение частиц, і от радиуса и объемной доли частиц, содержания поверхностно активных примесей.
-
Получена обобщенная зависимость относительной подвижности от температуры в случае, когда движение частиц контролируется массопереносом атомов матрицы по ее объему.
-
Предложен оригинальный метод прогнозирования стабильности зеренной структуры дисперсно-упрочненных сплавов в условиях воздействия высоких температур.
-
Даны практические рекомендации по созданию дисперсно-упрочненных сплавов с улучшенными физическими свойствами.
Научная и практическая значимость работы определяется тем, что получены результаты, позволяющие описать термодинамику и кинетику процесса торможения роста зерна частицами второй фазы при различных механизмах массопереноса, контролирующих движение частиц. Построенные физические модели торможения мигрирующей фаницы зерна стабильными частицами в условиях высокотемпературного отжига адекватно описывают существующие экспериментальные результаты и позволяют прогнозировать влияние температуры испытаний на закономерности движения комплекса граница зерна - частицы, строить температурные карты стабильности зеренной структуры дисперсно-упрочненных сплавов. В целом, результаты выполненных теоретических исследований могут служить научной основой новых технических и технологических решений в промышленной теплоэнергетике, в химическом машиностроении, в электровакуумной, сварочной, авиационной и космической технике, в селикатном производстве.
Предметом зашиты являются следующие основные результаты работы, определяющие ее научную и практическую ценность.
-
Кинетический критерий стабильности струкгуры двухфазной системы металлическая матрица - дисперсные частицы при первичной рекристаллизации, полученный на основе контроля термодинамических и диффузионных параметров.
-
Термодинамический критерий стабильности зеренной структуры в двухфазной системе металлическая матрица - дисперсные частицы при собирательной рекристаллизации, полученный на основе контроля термодинамических параметров, типа свободной энергии Гельмгольца.
рекристаллизации, полученный на основе контроля термодинамических параметров, типа свободной энергии Гельмгольца.
З.Методика прогнозирования стабильности структуры дисперсно-упрочненных сплавов в условиях воздействия высоких температур.
-
Результаты анализа влияния температуры на стабильность зеренной структуры двухфазной системы металлическая матрица -дисперсные частицы.
-
Выводы и рекомендации по созданию дисперсно-упрочненных сплавов с улучшенными физическими свойствами.
Апробация работы. Результаты проведенной работы представлялись на ежегодных научных конференциях Астраханского государственного технического университета (2000-2004 гг.), на семинарах кафедры общей физики АГТУ. Основные положения работы также представлялись и докладывались: на V-ой Международной конференции «Информатика. Экология. Здоровье человека» (Астрахань, АГОУ, 2000), межотраслевой научной конференции (Астрахань, АНИПИГАЗ, 2004), XXVII Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, Институт теплофизики СОРАН,2004).
Публикации автора. Результаты диссертации опубликованы в 4 печатных статьях, 5 тезисах, все в соавторстве.
Личный вклад автора.
-
Разработка методики позволяющей прогнозировать влияние термодинамических и диффузионных параметров двухфазной системы металлическая матрица -дисперсные частицы на стабильность ее зеренной структуры.
-
Получение обобщенной зависимости относительной подвижности от температуры в случае, когда движение частиц контролируется массопереносом атомов матрицы по ее объему.
-
Анализ влияния температуры на стабильность зеренной структуры двухфазной системы металлическая матрица - дисперсные частицы.
-
Выводы и рекомендации по созданию дисперсно-упрочненных сплавов с улучшенными физическими свойствами.
Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, основных характеристик работы, четырех глав, заключения, содержит 125 страниц, в том числе 38 рисунков, 3 таблицы, 85 ссылок на работы отечественных и зарубежных авторов.
