Взаємна дифузія та еволюція структури в локально-неоднорідних потрійних сплавах - Автореферат

Виділення найраціональнішого методу визначення матриці коефіцієнтів дифузії для потрійних систем (який значно спрощує експеримент) є досить актуальною проблемою теорії дифузії. Одним із ефективних способів впливу на кінетику і результат твердофазних реакцій за дифузії в металах є додавання третього компонента, у результаті чого може проявлятися пригнічення росту одних фаз і прискорення росту інших. Вплив третього компонента може бути повязаний або з його обмеженою розчинністю в проміжних фазах, або зі зміною коефіцієнта дифузії основного компонента через сегрегацію домішки на межах зерен, або зі зміною балансу потоків на міжфазних межах. Розроблення та вдосконалення методів моделювання фазових перетворень і дифузійних процесів у сплавах є важливим завданням, позаяк моделювання дає можливість значно зменшити обсяг експериментальних досліджень, які, зазвичай, необхідно проводити при оптимізації складу сплаву з урахуванням його механічних властивостей. Побудувати нову модель ефективного середовища для опису дифузійно-взаємодіючих фаз в потрійній системі, встановити звязок ефективного коефіцієнта дифузії з коефіцієнтами дифузії в однофазних областях та параметром s, який узагальнено характеризує тип структури.У третьому розділі здійснено виведення та проведений аналіз виразу для визначення ефективних коефіцієнтів дифузії в двофазних зонах, які ростуть на межі контакту фаз в умовах квазістаціонарності. Уже традиційно питання визначення ефективних кінетичних коефіцієнтів розглядається на основі моделей: а) паралельного і послідовного зєднання фаз; б) моделі Хашіна-Штрікмана; в) моделі Бруґґемана [4]; г) моделі Максвела-Ґарнетта та інших подібних підходів, детально описаних в [4]. 4 Схематичне зображення двофазної системи: а) в матриці ?-фази випадають частинки ?-фази (модель Калніна K1); б) в матриці ?-фази випадають частинки ?-фази (модель Калніна K2); в) у перехідній зоні дифузійного контакту в матриці ?-фази випадають частинки ?-фази і в матриці ?-фази випадають частинки ?-фази (розроблена модель K1 K2); г) схематичне зображення впливу структурного фактора s на значення ефективного кінетичного коефіцієнта в перехідній зоні Тоді, для того, щоб забезпечити значення ефективного кінетичного коефіцієнта, який, наприклад, в 100 разів більший за коефіцієнт дифузії в ?-фазі з використанням базової моделі K1, значення частки ?-фази має бути близьким до одиниці (див. точку 1 на рис. І, навпаки, якщо використовується модель К2, коли частинки низькопровідної ?-фази знаходяться в високопровідній матриці ?-фази, то таке ж значення ефективного кінетичного коефіцієнта буде при близькій до нуля обємній частці ?-фази (див. точку 3 на рис.У дисертації використаний взаємоузгоджений підхід до термодинамічного і кінетичного методів моделювання дифузійних процесів та процесів фазоутворення у потрійних системах з використанням розробленого автором нового методу розрахунку ефективних кінетичних коефіцієнтів для двофазної дифузійної зони. Перевірено, що процедура Даянанди дає достовірні результати для аналітичних (неспотворених) профілів як для розрахунку діагональних, так і перехресних коефіцієнтів дифузії в потрійній системі. Доведено, що заявлена Даянандою можливість визначення усереднених коефіцієнтів дифузії дає значні похибки при обробці експериментальних даних в звязку з тим, що сформована Даянандою система рівнянь на невеликих інтервалах усереднення є майже виродженою (відносний детермінант відповідної матриці системи рівнянь прямує до 0 при зменшенні інтервалу усереднення). У цій моделі ефективні кінетичні коефіцієнти залежать від кінетичних коефіцієнтів у кожній із фаз, обємних часток фаз та додаткового параметра s, який узагальнено характеризує тип структури двофазної зони. На прикладі розрахунків дифузійної взаємодії у потрійній системі Ti-Al-N показано, що нова модель ефективного середовища дозволяє описати перколяційну поведінку двофазної зони при довільних значеннях обємних часток фаз з сильновідмінними дифузійними проникностями компонентів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертації використаний взаємоузгоджений підхід до термодинамічного і кінетичного методів моделювання дифузійних процесів та процесів фазоутворення у потрійних системах з використанням розробленого автором нового методу розрахунку ефективних кінетичних коефіцієнтів для двофазної дифузійної зони. Основні результати дисертаційного дослідження полягають у нижчевикладеному: 1. Проаналізовані методики визначення матриці коефіцієнтів взаємної дифузії в потрійних системах: стандартна методика Матано-Больцмана та метод Даянанди. Визначено фактори, які знижують точність отриманих результатів по спрощеній методиці Даянанди. Перевірено, що процедура Даянанди дає достовірні результати для аналітичних (неспотворених) профілів як для розрахунку діагональних, так і перехресних коефіцієнтів дифузії в потрійній системі. Доведено, що заявлена Даянандою можливість визначення усереднених коефіцієнтів дифузії дає значні похибки при обробці експериментальних даних в звязку з тим, що сформована Даянандою система рівнянь на невеликих інтервалах усереднення є майже виродженою (відносний детермінант відповідної матриці системи рівнянь прямує до 0 при зменшенні інтервалу усереднення).

2. Уперше для опису перехідної зони, яка знаходиться між двома дифузійно-взаємодіючими фазами, побудована нова модель ефективного двофазного середовища. У цій моделі ефективні кінетичні коефіцієнти залежать від кінетичних коефіцієнтів у кожній із фаз, обємних часток фаз та додаткового параметра s, який узагальнено характеризує тип структури двофазної зони.

3. На прикладі розрахунків дифузійної взаємодії у потрійній системі Ti-Al-N показано, що нова модель ефективного середовища дозволяє описати перколяційну поведінку двофазної зони при довільних значеннях обємних часток фаз з сильновідмінними дифузійними проникностями компонентів.

4. Побудована взаємоузгоджена модель розрахунку діаграми стану та дифузійної взаємодії в потрійній системі Ti-Al-V. Проведено аналіз процесу гомогенізації порошкової системи складу Ti-6Al-4V з використанням різних лігатур та структурних конфігурацій системи. Модельні дослідження показали, що при використанні лігатур з високим вмістом алюмінію (наприклад, 60Al-40V) навколо частинки виникає окіл ?-фази, який перешкоджає дифузійному перерозподілу ванадію. При цьому ванадій залишається в частинках лігатур, поки внаслідок фазових перетворень не зникне ?-фаза. Тому розрахована невязка по ванадію зростає у досліджених модельних зразках на початкових етапах гомогенізації. Відповідно, зростає атомна концентрація ванадію всередині лігатури, що підтверджено експериментальними даними. Це негативно впливає на процес гомогенізації та сприяє виникненню пор на границі між лігатурами та матрицею.

5. Розвязана задача дифузії для потрійної системи Fe-Ni-Cr в конфігурації Т-зразка. Результати моделювання вказують на те, що додавання Ni до системи Fe-Cr спричинює досить значний вплив на швидкість дифузійної взаємодії атомів хрому і заліза. При малих концентраціях Ni ?-твердий розчин на основі компонентів Fe та Cr росте швидше, чим при високих концентраціях Ni. Такий перерозподіл приводить до росту неоднорідної дифузійної зони, що може бути використано для розвязку оберненої задачі дифузії.

1. Ляшенко Ю.О. Аналіз методик визначення параметрів дифузії в потрійних системах / Ю.О. Ляшенко, Л.І. Деревянко (Л.І. Гладка ), Т.В. Хандусь // Вісник Черкаського ДУ. Серія Фізико-математичні науки. 1999. Випуск 9. С. 60-70.

2. Гладка Л.І. Чисельна модель дифузійної гомогенізації потрійної двофазної системи / Л.І. Гладка, Ю.О. Ляшенко // Вісник Черкаського НУ. Серія Фізико-математичні науки. 2007. Випуск 114. С. 73-88.

3. Гладка Л.І. Дифузійна гомогенізація потрійної двофазної системи Fe-Ni-Cr / Л.І. Гладка, Ю.О. Ляшенко // Вісник Черкаського НУ. Серія Фізико-математичні науки. 2008. Випуск 141. С. 79-90.

4. Гладка Л.І. Моделювання дифузійної взаємодії в двофазних системах з використанням різних типів ефективних кінетичних коефіцієнтів / Л.І. Гладка, Д.О. Тепаленко, Ю.О. Ляшенко // Вісник Черкаського НУ. Серія Фізико-математичні науки. 2009. Випуск 171. С. 54-70.

5. Гладка Л.І. Моделювання дифузійної взаємодії в багатофазній системі Ti-Al-N / Л.І. Гладка // Вісник Черкаського НУ. Серія Фізико-математичні науки. 2010. Випуск 185. С. 53-61.

6. Гладка Л.І. Розвязок прямої задачі дифузії в двофазній системі Fe-Ni-Cr для конфігурації Т-зразка / Л.І. Гладка, Ю.О. Ляшенко, О.М. Грипачевський, В.В. Тихонович // Металофізика та новітні технології. 2010. Т. 32, № 7. С. 915-926.

7. Гладка Л.І. Моделювання дифузійної гомогенізації потрійної системи Ti-6Al-4V / Л.І. Гладка, О.М. Івасишин, Д.Г. Саввакін, В.І. Бондарчук, Ю.О. Ляшенко // Металофізика та новітні технології. 2010. Т. 32, № 8. С. 1067-1087.

8. Деревянко Л.І. (Гладка Л.І.) Аналіз методик визначення параметрів дифузії в потрійних системах / Л.І. Деревянко (Л.І. Гладка ), Ю.О. Ляшенко // ”Інформаційні технології в науці, освіті і техніці” (ІТОНТ-2000): друга Всеукраїнська конференція молодих науковців, 18-20 квітня 2000 р.: тези доповідей. Черкаси (Україна), 2000. С. 11-12.

9. Гладка Л.І. Моделювання дифузійної гомогенізації потрійної двофазної системи / Л.І. Гладка, Ю.О. Ляшенко // Інформаційні технології в науці, освіті і техніці (ІТОНТ-2008): шоста Всеукраїнська конференція молодих науковців, 5-7 травня 2008 р.: тези доповідей. Черкаси, 2008. С. 20-21.

10. Гладка Л.І. Моделювання дифузійної гомогенізації потрійної двофазної системи Ti-6Al-4V / Л.І. Гладка, Ю.О. Ляшенко // Сучасні проблеми фізики металів: міжнародна конференція, 7-9 жовтня 2008 р.: тези доповідей. Київ, 2008. С. 198.

11. Гладка Л.І. Моделювання дифузійної гомогенізації в потрійній системі Ti-6Al-4V / Л.І. Гладка, Ю.О. Ляшенко // Сучасне матеріалознавство: матеріали та технології: всеукраїнська конференція молодих вчених, 12-14 листопада 2008 р.: тези доповідей. Київ, 2008. С. 230.

12. Гладка Л.І. Модель розрахунку ефективних дифузійних коефіцієнтів неоднорідних середовищ / Л.І. Гладка, Ю.О. Ляшенко // До високих технологій на основі новітніх фізико-матеріалознавчих досліджень та компютерного конструювання матеріалів: четверта міжнародна конференція студентів і аспірантів, 15-18 грудня 2009 р.: тези доповідей. Київ, 2009. С. 101.

13. Gladka L.I. Determination of effective diffusion coefficients for inhomogeneous media / L.I. Gladka, Yu.O. Lyashenko // Organic and inorganic materials for molecular electronics and nanophotonics: International conference of young scientists, 23-25 April, 2010: book of abstracts. Cherkasy, 2010. P. 20.

14. Гладка Л.І. Моделювання дифузійної гомогенізації в системі Ti-6Al-4V / Л.І. Гладка, Ю.О. Ляшенко // Інформаційні технології в науці, освіті і техніці (ІТОНТ-2010): сьома Всеукраїнська конференція молодих науковців, 4-6 травня 2010 р.: тези доповідей. Черкаси, 2010. С. 20.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Боровский И.П. Процессы взаимной диффузии в сплавах / И.П. Боровский, К.П. Гуров, И.Д. Марчукова, Ю.Э. Угасте. М.: Наука, 1973. 360 c.

2. Dayananda M.A. A new analysis for the determination of ternary interdiffusion coefficients from a single diffusion couple / M.A. Dayananda and Y.H. Sohn // Metallurgical and Materials Transactions. 1999. Vol. 30A. P. 535-543.

3. Loo F.J.J. Van . A practical solution for the diffusion equations in binary and multicomponent systems with constant intrinsic diffusion coefficients / F.J.J. van Loo, G.F. Bastin, J.W.G.A. Vrolijk // Metallurgical Transactions. 1987. Vol. A18. P. 801-809.

4. Снарский А.А. Процессы переноса в макроскопически неоднородных средах / А.А. Снарский, И.В. Безсуднов, В.А. Севрюков. М.: УРСС, 2007. 303 c.

5. Kalnin J.R. Calculations of the effective diffusion coefficient for inhomogeneous media / J.R. Kalnin, E.A. Kotomin, J. Maier // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2002. № 63. P. 449-456.

6. Гусак А.М. Начальные стадии реакционной диффузии: несколько новых результатов / А.М. Гусак, А.О. Богатырев // Металлофизика и новейшие технологии. 1994. Т.16, № 9. С. 28-38.

7. Ляшенко Ю.А. Компьютерное моделирование образования и роста двухфазных зон при изотермической диффузии в тройных системах / Ю.А. Ляшенко, Т.П. Муковоз // Металлофизика и новейшие технологии. 1994. T. 16, № 6. С. 23-27.

8. Ляшенко Ю.А. Взаимная диффузия в тройных системах с двухфазными областями: подходы и модели / Ю.А. Ляшенко // Успехи физики металлов. 2003. T. 4(2). C. 81-122.

9. Paransky Y., Berner A., Gotman I. Microstructure of reaction zone at the Ti-ALN interface // Materials Letters. 1999. № 40. P. 180-186.

10. Ivasishin O.M. Diffusion during Powder Metallurgy Synthesis of Titanium Alloys / O.M. Ivasishin, D. Eylon, V.I. Bondarchuk, D.G. Savvakin // Defect and Diffusion Forum. 2007. P.177-186.

11. Мокров А.П. Упрощенный способ определения коэффициентов взаимной диффузии в трехкомпонентных металлических системах / А.П. Мокров, В.С. Акимов, О.И. Ушаков // Диффузионные процессы в металлах. - 1977. С. 24-34.

12. Гусак A.M. Новый численный способ расчета коэффициентов взаимной диффузии в тройных системах / A.M. Гусак, Ю.А. Ляшенко // Заводская лаборатория. 1991. № 4. C. 48-49.