Автореферат (1103956), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Созданная программа DIFFUSION предназначена для моделирования процессов диффузии и фазообразования в слоистых бинарных металлических системах металл-металл с двумя и тремя изотопами двух элементов и металл-металлоид. В нейреализован специально разработанный алгоритм моделирования процессов диффузии ифазообразования, в том числе алгоритм решения дифференциальных уравнений, описывающих данные процессы.
Программа DIFFUSION разработана в среде программированияMicrosoft Visual Studio 2010 при помощи языков C++ и C#.Основные функциональные возможности программы DIFFUSION:- решение уравнений, описывающих процессы диффузии и фазообразования, длятрех видов слоистых бинарных металлических систем (металл-металл с двумя и тремя изотопами двух элементов и металл-металлоид);- использование произвольной диаграммы равновесных состояний бинарной системы с любыми концентрационными и температурными областями существования любогочисла фаз;- задание произвольных начальных концентрационных профилей компонентовслоистой системы, что позволяет моделировать термически индуцированные процессыдиффузии и фазообразования в слоистых системах, полученных методами магнетронногои термического напыления, электролиза и ионной имплантации;- реализация произвольных температурно-временных режимов термических отжигов исследуемой слоистой системы;10- расчет на каждом температурно-временном этапе процесса локальной концентрации компонентов, относительного содержания фаз, коэффициентов диффузии и диффузионных потоков компонентов на любой глубине слоистой системы, а также положений границ однофазных областей;- для сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными расчетна всех этапах процесса с учетом изотопного состава относительных интенсивностей парциальных мессбауэровских спектров, полученных регистрацией γ-квантов в геометрии напрохождение (MS-спектров), и регистрацией конверсионных электронов в геометрии обратного рассеяния (CEMS-спектров), а также относительного содержания фаз в атомныхединицах компонентов в области проникновения в слоистую систему рентгеновского излучения.- расчет на всех этапах процесса функций распределения концентрации и среднейконцентрации компонента в растворе другой компоненты исследуемой слоистой системы.В третьей главе представлены результаты моделирования процессов диффузии ифазообразования в модельных двухслойных бинарных системах металл-металл.С помощью проверочных расчетов путем сравнения их результатов с результатами,полученными аналитически, показано, что выбранный и реализованный численный метод,а также используемая степень дискретности представления рассматриваемых слоистыхсистем, обеспечивают достаточную для сравнения с экспериментальными данными точность решения диффузионных уравнений и описания процессов диффузии и фазообразования в этих системах.Для моделирования термически индуцированных процессов диффузии, фазообразования и стабилизации были взяты три модельные бинарные системы A-B, диаграммы равновесных состояний которых обладают следующими отличительными особенностями.I.
α-Фаза существует в концентрационном интервале 0 – 0.2, β-фаза – в интервале0.4 – 0.6, γ-фаза – в интервале 0.8 – 1 (эквиконцентрационное расположение фазовых границ).II. α-Фаза существует в концентрационном интервале 0 – 0.2, β-фаза – в интервале0.49 – 0.51, γ-фаза – в интервале 0.8 – 1 (узкая концентрационная область существованияпромежуточной β-фазы).III.
α-Фаза существует в концентрационном интервале 0 – 0.02, β-фаза – в интервале 0.49 – 0.51, γ-фаза – в интервале 0.8 – 1 (узкие концентрационные области существования α- и β-фазы).11Парциальные коэффициенты диффузии были взяты характерными для металлических систем. При моделировании были рассмотрены следующие случаи: (a) DА = 10-5,DB = 10-3 (мкм2/с); (b) DА = 10-3, DB = 10-5 (мкм2/с) и (c) DА = 10-3, DB = 10-3 (мкм2/с).lg(tstab) [ч]tstab = t0.xn, n ≅ 2.3lg(dα,dβ,dα+β) [мкм]63abcIdαModel Ibdβ241]0]21 мм1 мкмdα+β0-1012303abcII6-1123dαModel IIbdβ2412dα+β00-1012303abcIII6-1123dαdβModel IIIb2412dα+β00-10123-10lg(d) [мкм]123lg(d) [мкм]Рис.
1. Зависимость времени термической стабилизации tstab от толщины образца d для рассмотренных модельныхбинарных системРис. 2. Зависимости толщин поверхностного (dα), промежуточного (dα+β) и объемного (dβ) слоев от толщины образца d длямодельных бинарных системВ результате моделирования установлено следующее:- предложенная модель термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования описывает процесс термической стабилизации неоднородного по глубинеструктурно-фазового состояния слоистой системы, при котором система является двухфазной с преимущественным содержанием различных фаз на своих поверхностях;12- уменьшение задаваемого размера однофазных частиц λ в двухфазной области системы приводит к слабому относительному увеличению времени термической стабилизации в широком диапазоне значений λ;- фазовая диаграмма существенно влияет на вид концентрационного профиля ивремя стабилизации при одних и тех же остальных параметрах системы;- при постоянном соотношении толщин покрытия и подложки получена степеннаязависимость времени стабилизации от толщины образца с показателем 2.3±0.1, которыйпрактически не зависит от парциальных коэффициентов диффузии и особенностей фазовой диаграммы (см.
рис. 1);- в случае термической стабилизации при размерах слоистой системы больших~10 мкм толщины поверхностных слоев с преимущественным содержанием различных фазлинейно зависят от толщины системы, при этом толщина промежуточного слоя остаетсяпрактически постоянной; такое поведение толщин не зависит от парциальных коэффициентов диффузии и особенностей фазовой диаграммы состояний (см. рис. 2).В наших расчетах в качестве критерия относительного содержания фаз, определяющего свойства слоев, выбрано 95% относительного содержания β-фазы в поверхностном слое и 95% относительного содержания α-фазы в объемном слое образца. Это условиепозволило однозначно определить толщины поверхностного (dα), промежуточного (dα+β) иобъемного (dβ) слоев (рис. 2).В четвертой главе приводятся результаты моделирования термически индуциро-ванных процессов диффузии и фазообразования в экспериментально исследованных слоистых системах методами мессбауэровской спектроскопии и рентгеновской дифрактометрии.
В качестве таких систем были выбраны системы металл-металл с двумя(Fe–Ti,Fe–Zr, Fe–Sn, Cu–Be) и тремя (57Fe–Ti–Fe(Ti)–57Fe) изотопами, полученные с помощью метода магнетронного распыления, а также система металл-металлоид (57Fe:O+), полученнаяметодом ионной имплантации. Данные системы отличаются в первую очередь многообразием особенностей своих фазовых диаграмм: различными ширинами областей растворимости компонентов, количеством и концентрационными областями гомогенности образующихся фаз в системе при различных температурах и т.д. При этом для выбранных систем характерны разные начальные концентрационные профили компонентов и парциальные коэффициенты диффузии.Моделирование термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых системах осуществлялось с учетом всех особенностей фазовых диаграммравновесных состояний бинарных систем.
Необходимые для моделирования значения ко13эффициентов диффузии, либо брались из известных литературных данных для массивныхобразцов, либо подбирались с целью наилучшего описания экспериментальных данных, скоторыми сравнивались результаты моделирования. Основанием для подбора оптимальных значений коэффициентов диффузии служило не только их отсутствие в литературе, нои возникающая при магнетронном распылении структура покрытия.Система Fe-Ti. Для моделирования термически индуцированных процессов диф-фузии и фазообразования в слоистых системах Fe–Ti с двумя изотопами были выбраныэкспериментально исследованные [3–6] системы с разными начальными концентрационными профилями – α-Fe(10 мкм)−Ti(2 мкм) и Fe0,966Ti0,034(10 мкм)−Ti(2 мкм), полученныеметодом магнетронного распыления и подвергнутые последовательным изохронным иизотермическим отжигам.В качестве примера на рис. 3 представлены экспериментальные и расчетные зависимости относительных интенсивностей парциальных мессбауэровских спектров (MS), атакже зависимости полученных со стороны титанового покрытия относительных интенсивностей рентгеновских дифракционных рефлексов фаз и их относительного содержанияв атомных единицах компонентов в области проникновения в систему рентгеновского излучения (X-ray), от температуры Tann последовательных изохронных двухчасовых отжиговслоистых систем α-Fe(10 мкм)–Ti(2 мкм) и Fe0.966Ti0.034 (10 мкм) – Ti (2 мкм).MSI, %100Fe(Ti)80604040FeTiFe(Ti)20Fe2Tiб806020MSI, %100аFeTiFe2Ti00(Ti-side)80X-Ray100X-Ray100Fe(Ti)(Ti-side)80Fe(Ti)6060Ti(Fe)4020Ti(Fe)40FeTiFe2Ti20FeTiFe2Ti0000150 300 450 600 750 900 1050150 300 450 600 750 900 1050ooTann, CTann, CРис.
3. Известные экспериментальные данные (символы, соединенные линиями) и результаты моделирования (штриховые линии) для последовательных изохронных отжигов слоистых систем Fe(10 мкм)–Ti(2 мкм) (а) и Fe0.966Ti0.034 (10 мкм)–Ti(2 мкм) (б)14Видно, что все особенности термически индуцированных процессов (температурные последовательности фазообразования, относительные содержания образующихся фаз)в обеих слоистых системах, полученные с помощью методов MS и X-ray, хорошо описываются теоретически в рамках предложенных физических представлений.Аналогичные расчеты и сравнение с экспериментальными данными были проведены для этих же слоистых систем, подвергнутых последовательным изотермическим отжигам при 700°C.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
