Автореферат (Моделирование термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых бинарных металлических системах)

На правах рукописиСухоруков Иван АндреевичМОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКИ ИНДУЦИРОВАННЫХПРОЦЕССОВ ДИФФУЗИИ И ФАЗООБРАЗОВАНИЯВ СЛОИСТЫХ БИНАРНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СИСТЕМАХСпециальности: 01.04.07 – физика конденсированного состояния,05.13.18 – математическое моделирование, численные методы и комплексы программАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:Доктор физико-математическихнаук, профессор В.С.РусаковМОСКВА – 2012 г.Работа выполнена на кафедре общей физики физического факультета Московскогогосударственного университета имени М.В.Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорРусаков Вячеслав СерафимовичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорСилонов Валентин Михайловичкандидат физико-математических наук,старший научный сотрудникСедых Вера ДмитриевнаВедущая организацияМосковский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики (МГТУ МИРЭА)Защита состоится « 16 » мая 2012 г.

в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационногосоветаД 501.002.01приМосковскомгосударственномуниверситетеимениМ.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, стр.35,Центр коллективного пользования МГУ, конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУимени М.В, Ломоносова.Автореферат разослан « __ » апреля 2012 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.01кандидат физико-математических наукТ.В. Лаптинская2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.Развитиенеобходимостиядернойэнергетикиразработки,созданияиаэрокосмическойииспользованиятехникиновыхприводиткконструкционныхматериалов, работающих в экстремальных условиях высоких температур, большихмеханических нагрузок, агрессивных сред и облучения.

Разработка таких материаловпредставляет сложную и до сих пор не решенную научно-техническую задачу. Одним извозможных путей решения этой задачи является создание защитных покрытий илимодификация поверхности существующих конструкционных материалов с помощьюионно-лучевых технологий. К таким технологиям относятся, в частности, ионноплазменное осаждение и ионная имплантация с последующей термической обработкой,котораяприводиткпространственнойнаправленностипроцессовдиффузииифазообразования, и в результате к образованию слоистой системы.Для практического применения слоистых систем важно создать термическистабильное неоднородное распределение фаз по глубине образца. В связи с этимнеобходимоиметьправильноепредставлениеобособенностяхтермическииндуцированных процессов, происходящих в слоистой системе.

На протяжении последнихнескольких лет методами мессбауэровской спектроскопии с привлечением данныхрентгеновского фазового анализа проводятся целенаправленные исследования слоистыхбинарныхметаллическихсистем.Этиисследованияпозволилиустановитьпоследовательность и характерные времена фазовых преобразований в приповерхностныхсоях и объеме систем, в ряде из них получить термически стабильное неоднородное поглубине структурно-фазовое состояние.Для исследования процессов диффузии и фазообразования в слоистых системахпредставляют интерес бинарные металлические системы на основе железа, содержащиеBe, Al, Sn, Zr и Ti, полученные методами ионно-плазменного осаждения, а такжеимплантационные системы Fe:B+, Fe:C+, Fe:N+ и Fe:O+. Для этих систем важно, что железоявляетсяосновнымкомпонентоммногихконструкционныхматериалов.Другиекомпоненты слоистых систем могут значительно улучшить их свойства, например,механическиесвойства(прочность,пластичность,ковкость),радиационнуюикоррозийную стойкость, жаропрочность, теплопроводность и т.

д., что позволитприменить данные материалы в ядерной энергетике, аэрокосмической технике,автомобилестроении и других производственных областях.Одним из эффективных методов исследования слоистых бинарных систем являетсякомпьютерное моделирование термически индуцированных процессов диффузии и3фазообразования на основе данных об их термодинамических свойствах и фазовыхдиаграммахравновесныхсостояний.Моделированиепозволяетдопроведенияэксперимента на основе физических представлений о процессах, происходящих внеоднородных слоистых системах, предсказать поведение компонентов системы иобразующихся фаз при произвольных температурно-временных режимах термическогоотжига.Цель работы.Целью настоящей работы являлась разработка метода моделирования термическииндуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых системах и его применение при исследовании бинарных металлических систем.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие основные задачи.1. Разработать физические модели термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых бинарных системах металл-металл с двумя и тремя изотопами двух элементов, а также в системах металл-металлоид.2. Осуществить программную реализацию предложенных моделей, позволяющуюколичественно описывать термически индуцированные процессы в слоистых бинарныхсистемах с произвольным начальным концентрационным профилем компонентов, с учетом особенностей фазовых диаграмм равновесных состояний при произвольных температурно-временных режимах термических отжигов.3. Смоделировать термически индуцированные процессы диффузии и фазообразования в модельных слоистых бинарных системах металл-металл для исследования процесса термической стабилизации неоднородного по глубине структурно-фазового состоянияслоистой системы.4.

Смоделировать термически индуцированные процессы диффузии и фазообразования в экспериментально исследованных слоистых бинарных системах металл-металл сдвумя и тремя изотопами, а также металл-металлоид.Основные положения, выносимые на защиту.Физические модели термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых бинарных системах металл-металл с тремя изотопами двух элементови металл-металлоид.Программная реализация предложенных моделей (программа DIFFUSION), позволяющая количественно описывать кинетику термически индуцированных процессов вслоистых бинарных системах с произвольным начальным концентрационным профилем4компонентов, с учетом особенностей фазовых диаграмм равновесных состояний при произвольных температурно-временных режимах термических отжигов.Результаты моделирования термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в модельных двухслойных системах металл-металл, позволившие установить характер и степень влияния особенностей фазовых диаграмм равновесных состояний,коэффициентов диффузии и толщины системы на кинетику процесса термической стабилизации неоднородного по глубине структурно-фазового состояния слоистой системы итермически стабилизированный концентрационный профиль.Результаты моделирования термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в экспериментально исследованных слоистых системах: металл-металл сдвумя (Fe–Ti, Fe–Zr, Fe–Sn, Cu–Be) и тремя (57Fe–Ti–Fe(Ti)–57Fe) изотопами, полученных спомощью метода магнетронного распыления, а также металл-металлоид (57Fe:O+), полученной методом ионной имплантации.Вывод о том, что характер фазовых превращений в исследованных слоистых системах определяется изменением локальной концентрации компонентов в процессе их диффузии и соответствует особенностям фазовых диаграмм равновесных состояний.Достоверность.Достоверность полученных результатов и сделанных выводов обусловлена адекватностью использованных физических представлений и математических методов при решении поставленных задач, корректностью использованных приближений, результатамипроверочных численных экспериментов, а также соответствием полученных в работе результатов расчетов известным экспериментальным данным.Научная новизна.Научная новизна работы определяется как предложенными физическими моделямитермически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых бинарных системах, так и их программной реализацией, что позволило впервые получить рядважных результатов.При моделировании термически индуцированных процессов в модельных двухслойных бинарных системах металл-металл установлены характер и степень влияния особенностей фазовой диаграммы состояний, коэффициентов диффузии и толщины системына кинетику процесса термической стабилизации неоднородного по глубине структурнофазового состояния слоистой системы и термически стабилизированный концентрационный профиль.5Показано, что результаты моделирования процессов термической диффузии и фазообразования в слоистых бинарных системах Fe–Ti, Fe–Zr, Fe–Sn, Cu–Be,57Fe и5757Fe–Ti–Fe(Ti)–+Fe:O хорошо описывают экспериментально установленные с помощью методовMS- и CEMS-спектроскопии и рентгеновской дифрактометрии последовательности фазовых превращений и относительное содержание образующихся фаз на всех этапах различных температурно-временных режимов отжига.