124672 (717422), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Конобеевский рассматривал случай, когда градиент температуры отсутствует, следовательно, в уравнении (4) отсутствует последнее слагаемое. Примером может служить упруго изогнутый блок, в котором деформация и упругие напряжения меняются постепенно от слоя к слою. Для этого случая уравнение Фика может быть записано так:

, (6)

где – концентрация, - деформация, – время, – коэффициент диффузии, обусловленный наличием градиента концентрации; – коэффициент диффузии, обусловленный наличием градиента напряжений. Конобеев показал, что в твердом растворе пропорционален относительному различию атомных радиусов компонентов и . В то время как первый член уравнения (6) приводит к выравниванию концентрации, второй, учитывающий неоднородное напряженное состояние, содействует разделению компонентов. Последний тип диффузии был назван «восходящей» диффузией. Действием восходящей диффузии был объяснен факт упрочнения деформированных образцов латуни и алюминиевой бронзы при отпуске в области 270 °С. Конобеевский рассмотрел также влияние напряжений, возникающих при фазовых превращениях. Было показано, что напряжения, возникающие при выделении новой фазы из твердого раствора, вызывают диффузионные потоки, ускоряющие процесс выделения новой фазы, действуя, таким образом, автокаталитически.

Уравнение Конобеевского было применено для объяснения зависимости коэффициента диффузии от концентрации. Это оказалось возможным при учете «концентрационных напряжений», вызванных изменением периода решетки для образования твердого раствора. Для этого случая уравнение (6) приобретает следующий вид:

, (7)

или, введя эффективный коэффициент диффузии:

, (8)

откуда

, (9)

где – коэффициент диффузии при бесконечно малой концентрации диффундирующего элемента, , – период решетки чистого растворителя, – модуль сдвига, - модуль всестороннего сжатия.

Из теории вытекает общий вывод о том, что в ряде случаев концентрационные искажения создают восходящую диффузию, которая при достаточно низких температурах вызывает рост флуктуаций концентрации вплоть до концентрации, соответствующей новой фазе.

Пластическая деформация. Деформация, связанная с образованием и движением разного рода дефектов в кристаллической решетке, должна оказывать существенное влияние на подвижность атомов.

С.Т. Конобеевский показал, что в деформированном тонком слое меди коэффициент диффузии никеля в медь возрастает более чем в 1000 раз. Герцрикен и Голубенко изучали влияние деформации на скорость диффузии цинка в α-латуни. Деформация создавалась благодаря различию в коэффициентах расширения латуни и никеля, причем металлы находились в тесном контакте. По сравнению с недеформированной латунью, коэффициент диффузии цинка из α-латуни при температурах 560, 600, 640 °С увеличивался соответственно в 1,7, в 4 и в 5 раз.

Изучалась атомная подвижность в образцах сплава Ar-Zn состава 70: 30 (ат.%), предварительно закаленных с 400 °С. В закаленных образцах с замороженным неравновесным числом вакансий подвижность атомов должна возрастать. Это действительно имело место. Измерения времени релаксации в области температур 30 – 70 °С позволили разделить величину энергии активации в сплаве, складывающейся из энергии образования вакансий и энергии их движения . Оказалось, что имеет такую же величину, как и при диффузии или самодиффузии. Как закалка, так и пластическая деформация приводят к пересыщению в числе вакансий. Из этого следует, что коэффициент диффузии должен возрастать при пластической деформации. Таким образом, при постоянной скорости деформации скорость диффузии должна возрастать в связи с увеличением числа вакансий:

. (10)

Величина зерна и скорость диффузии

Наблюдения показали, что на процессы диффузии, а следовательно, и скорость протекания химико-термической обработки, оказывает размер зерна. Так исследования В.С. Бугакова и Ф.П. Рыбалко показали, что коэффициент диффузии для монокристалла латуни при 700 °С в 40 раз меньше, чем при тех же условиях в поликристаллической латуни с размером зерна 130 мкм.

Аналогично при исследовании электролитической проводимости солей Хевеши, Таманн и Весци обнаружили значительно большую электропроводность поликристаллической соли по сравнению с монокристальной. В поликристалле в сравнении с монокристаллом имеются добавочные поверхности раздела, и поскольку на поверхностях раздела зерен (по работам Хейши) ионы связаны слабее, они имеют возможность чаще меняться местами, что и обуславливает более высокую электропроводность поликристалла. Основываясь на этом, Г. Таманн и А. Весзи вывели выражение для определения удельной граничной проводимости, на основании которого Бугаков и Рыбалко получили выражения для определения массопереноса через границу зерна.

, (11)

где , и – соответственно количества вещества, продиффундировавшего через границы, монокристалл (зерно) и эффективный поток через поликристалл (через зерно и границы). Так как в линейных задачах количество продиффундировавшего вещества пропорционально , то из (3) получаем:

(12)

Здесь , и – соответственно коэффициенты диффузии по границам и в монокристалле и эффективный коэффициент диффузии в поликристаллическом веществе. Если измерить коэффициент диффузии при двух размерах зерен и , то

,

. (12.а)

Исключив из этих двух уравнений , получим:

(13)

Измерив коэффициент диффузии при двух известных размерах зерен, по формуле (13) можно определить , не измеряя непосредственно коэффициента диффузии в монокристалле.

Расчеты коэффициента диффузии по границам зерен по формуле (12.а) неточны, в частности, и потому, что только при достаточно низких температурах можно диффузионные потоки через зерно и границу считать независимыми.

Зейт и Кейль не обнаружили влияния размера зерна на самодиффузию свинца и объясняют это способностью свинца к рекристаллизации при относительно низких температурах. Однако проведение эксперимента при температуре 25 °С позволило зафиксировать эффект.

На основании исследований, проведенных Манегольдом и Смиттельсом, сделан вывод о том, что зерно в 100 мкм является сравнительно крупным, и если , эффективные коэффициенты диффузии зерна в 100 мкм и монокристалла отличались бы всего на несколько процентов, что перекрывается ошибками опыта.

Для случая диффузии азота и водорода в металлы данные противоречивы, хотя отсутствие эффекта в некоторых опытах может не наблюдаться. По мнению С.Д. Герцрикена обогащение границ зерен примесями приводит к торможению процессов диффузии. Вследствие этого может иметь место разностный эффект, обусловленный влиянием примесей и разрыхленностью границ. Возможен даже такой случай, когда коэффициент диффузии через монокристалл может быть больше, чем через поликристалл.

Таким образом, в большинстве случаев скорость диффузии падает с увеличением зерна. Это объясняется тем, что на границах зерен решетка сильно искажена, следовательно, плотность дефектов значительно выше, чем внутри зерна. Как в случае с межузельным, так и вакансионным механизмами диффузии, наличие дефектов и действие внутренних напряжений значительно ускоряют диффузионные процессы. Поэтому, несмотря на то, что фронт границ гораздо у́же фронта зерен, эффективный коэффициент диффузии растет с измельчением зерен за счет усиления роли границ. Исключения составляют случаи, когда границы зерен насыщены примесями.

Катализаторы

Для каждой ХТО можно подобрать специальные добавки, позволяющие катализировать процесс. Однако применение всякого рода катализаторов имеет один общий недостаток: они все не влияют непосредственно на скорости диффузии насыщающего элемента в стали, кроме случаев, когда вещества наносят на поверхность изделия, и благодаря протекающим реакциям температура поверхностного слоя металла повышается. Поэтому катализаторы дают некоторый эффект только в начальной стадии процесса, после чего уже не действуют.

Ультразвуковые колебания

Влияние ультразвука на цементацию в жидких средах было изучено в ЭНИММСе. Ускорение цементации в 2 – 2,5 раза Е.М. Морозова и Б.Н. Батурина объясняют интенсивным перемещением расплава солей под действием ультразвуковых колебаний, что облегчает подвод новых порций среды к поверхности, удаление продуктов реакции и приводит к повышению концентрации углерода в поверхностных слоях, а следовательно – к увеличению глубины цементируемого слоя. Экспериментально установлено, что воздействие ультразвука увеличивает скорость насыщения стали азотом, бором, алюминием. Отметим, что влияние ультразвуковых колебаний на интенсификацию поверхностных явлений при многих процессах ХТО является очевидным. Методом радиоактивных изотопов изучена диффузия углерода в стали в интервале температур 400 – 580 °С в условиях воздействия ультразвуковых колебаний. Исследование показало, что влияние ультразвука на диффузионную подвижность углерода неоднозначно, и существенно зависит от амплитуды колебаний. При 400 °С подвижность атомов углерода в озвученном образце в 1,5 раза, а при 580 °С в 4 раза выше, чем в обычных условиях. Этот эффект, вероятно, связан с изменениями структуры стали под действием ультразвуковых колебаний. Имеются работы, в которых приведены убедительные доказательства влияния колебаний на тонкую структуру металлов (плотность дислокаций, их распределение, концентрацию точечных дефектов, субмикропористость, дефекты упаковки и т.д.).

Структурные факторы играют основную роль и в методах интенсификации, основанных на применении пластической деформации как предварительной, так и осуществляемой в процессе насыщения (механико-химико-термическая обработка).

Насыщение из порошков

Существуют следующие способы термодиффузионного алитирования (металлизации алюминием) с применением скоростного электронагрева:

1. в порошкообразных смесях;

2. в пастах;

3. в газовой среде

4. в жидкой среде (растворы солей)

5. металлизация стали алюминием и последующий отжиг с нагревом в ТВЧ.

Последний способ применяют в промышленности при алитировании рабочих фасок клапанов двигателей внутреннего сгорания. Остальные способы алитирования проверены в лабораторных условиях, причем наиболее полно исследован способ насыщения из активных паст.

Газовое алитирование армко-железа, среднеуглеродистой стали и стали 35ХМА. Источником активного агента являлись хлориды алюминия, предварительно созданные взаимодействием тщательно очищенного хлора и алюминиевого порошка при 600 – 650 °С. Алитирование стали 35ХМА при 800 – 1000 °С в течение 25 секунд привело к образованию слоя глубиной около 20 мкм. На армко-железе при 1200–1300 °С в течение 8 секунд образовался слой глубиной 300 мкм. Микротвердость слоя на армко-железе составляла около 320 кгс/мм², а основы – 130 кгс/мм². Металлографическое исследование после травления в смеси HF и HCl показало наличие на поверхности α-твердого раствора. Других фаз не обнаружено. Большим недостатком этих опытов является невысокая точность измерения температуры, проводившаяся оптическим пирометром ОППИР-09 и не позволившая исследовать кинетику процесса образования слоев.

Список использованных источников

1. Герцрикен, С.Д. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе /[Текст]/ С.Д. Герцрикен, И.Я. Дехтяр – М.: Государственное издательство физико-математической литературы, Ленинград, издательство Типография №2 им. Евг. Соколовой УПП Ленсовнархоза, 1960. – 564 с.

2. Кидин, И.Н. Электрохимико-термическая обработка металлов и сплавов /[Текст]/ И.Н. Кидин, В.И. Андрюшечкин, В.А. Волков, А.С. Холин. – М.: Изд-во Металлургия, 1978. – 320 с.

3. Акимова, И.А. Диффузионные процессы в металлах /[Текст]: учебное пособие/ Куйбышев, Изд-во Куйбышевский государственный университет. 1983. – 102 с.

4. Белов, А.Ф. Строение и свойства авиационных материалов /[Текст]: учебник для вузов/ А.Ф. Белов, Г.П. Бенедиктова, А.С. Висков и др. М.: Изд-во «Металлургия», 1989. – 338 с.

5. Мазанко, В.Ф. Диффузионные процессы в металлах под действием магнитных полей и импульсных деформаций: в двух томах /[Текст]/ В.Ф. Мазанко, А.В. Покоев, В.П. Миронов и др. – М.: Изд-во «Машиностроение-1»; Самара: Изд-во «Самарский университет», 2006. – Т. II. – 320 с.

Характеристики

Список файлов реферата