Математическое моделирование стабильности твердых растворов при облучении и механоактивации
Диссертация
В работе проанализированы уравнения математической модели, модифицированной для случая интенсивной пластической деформации. Показано, что механический синтез или образование твердого раствора в условиях запрещенных равновесной фазовой диаграммой, происходит под действием сжимающих напряжений, действующих на нанокристаллическое зерно. Проведены оценочные расчеты для различных металлических систем… Читать ещё >
Содержание
- ГЛАВА 1. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА МАТЕРИАЛЫ
- 1. 1. Радиационно-стимулированное выделение: эксперименты
- 1. 2. Фазовые превращения при механоактивации: эксперименты
- 1. 3. Теоретические подходы к описанию радиационно-стимулированной сегрегации растворенных атомов
- 1. 3. 1. Уравнения для потоков в концентрированных сплавах
- 1. 3. 2. Модель диффузионных реакций для разбавленных твердых растворов в условиях облучения
- 1. 3. 3. Рост частиц выделений
- 1. 3. 4. Аналитическая модель роста слоя фазы на поверхности.. образца
- 1. 4. Теория фазовых переходов при механоактивации
- 1. 4. 1. Деформационно-стимулированная фазовая неустойчивость на-нокристаллических сплавов
- 1. 4. 2. Фазовые переходы в неидеальных твердых сплавах при механоактивации
- 1. 4. 3. Фазовые превращения в сплавах с ограниченной растворимостью при механоактивации
- 2. 1. Постановка задачи
- 2. 2. Термодинамическое описание неравновесных процессов. Формулировка модели
- 2. 3. Вклад конфигурационной энтропии в химический потенциал
- 2. 3. 1. Метод трех плоскостей
- 2. 3. 2. Метод статистической термодинамики
- 2. 4. Расчет внутренней энергии
- 2. 5. Механизм и условия расслоения
- 2. 6. Пространственный масштаб расслоения
- 2. 7. Выводы к главе 2
- 3. 1. Изменение энергии межатомных связей при облучении
- 3. 2. Модель свободного объема
- 3. 3. Упругие напряжения, создаваемые облучением в металлических системах
- 3. 4. Потоки атомов бинарного сплава при облучении
- 3. 5. Условие стабильности твердого раствора при облучении
- 3. 6. Сравнение с экспериментом
- 3. 7. Выводы к главе 3
- 4. 1. Структура металлов при экстремальных механических воздействиях
- 4. 2. Модель Миедемы
- 4. 3. Модель нанокристаллического состояния вещества
- 4. 4. Оценка коэффициента поверхностного натяжения
- 4. 5. Программное обеспечение для расчетов полей упругих смещений и напряжений
- 4. 6. Термодинамический анализ механического синтеза
- 4. 7. Сравнение с экспериментом
- 4. 8. Предел дисперсности при механоактивации
- 4. 9. Оценка характеристик межзеренной границы
- 4. 10. Феноменологическая модель разрушения нанокристаллических. зерен
- 4. 11. Выводы к главе 4
Список литературы
- Barbu, A., Contribution a 1.'etude des changements de phase sous ir-radiffusion, Thin Solid Films, 25 (1975), 107−56.
- Фазовые превращения при облучении. Под ред. Нолфи Ф.В./Пер. с анг. Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1989. 312 с.
- Cauvin, R. and Martin, G., Radiation induced homogeneous precipitation in undersaturated solid-solutions, J. Nucl. Mat., 83 (1979), 67−78.
- Cauvin, R., Etude experimental et theorique de la stabilite des solu-- • tions solides sous irradiation, Rapport CEA-R-5105, Gif sur Yvette, France (1981).
- Barbu, A. and Martin, G., Radiation induced precipitation in NiSi solid solutions: II Dose rate effects, Scripta Met., 11 (1977), 771−5.
- Barbu, A. and Martin, G. and Chamberod, A., Low flux radiation induced precipitation, J. Appl. Phys., 51 (1981), 6192−6.
- Williams, R.K., Stiegler, J.O. and Wiffen, F.W., Irradiation effects in Tungsten-Rhenium alloys In ORNL Report TM-4500 (1974) pp. 52−60.
- Sikka, V.K. and Moteff, J., Identification of a Mn crystal structure in neutron irradiated W-Re alloy, Met. Trans., 5 (1974), 1514−17.
- Tjhia, E., Wilkes, P. and Kulcinski, G.L., Irradiation induced precipitation of Al-Si alloys in the HVEM, Rad. Effects, 51, (1981), 49−56.
- Takeyama, Т., Ohnuki, S. and Takahashi, H., Radiation induced segregation near grain boundary and void in electron irradiated copper alloys. 7th European Congress on Electron Microscopy Foundation (1980), pp. 208−11.
- Glowinski, L.O., Lanore, J.M., Fiche, C. and Adda, Y., Etude de la formation des cavites d’irradiation dans le cuivre: IV Etude des mecanismes- J. Nucl. Mat., 61 (1976), 41−52.
- Liou, K.Y. and Wilkes, P., The radiation disorder model of phase stability, J. Nucl. Mater., 87 (1979), 317−30.
- Garner F.A., Brager H.R., Hamilton M.L., Dodd R.A., Porter D.L. New developments in irradiation-induced microstructural evolution of austenitic alloys and their consequences on mechanical properties // Radiat.Eff. 1986. -V.101.-P.37−53.
- Carter R.D., Damcott D.L., Atzmon M., Was G.S., Bruemmer S.M. Qualitative analysis of radiation induced grain — boundary segregation measurements // J. Nucl. Mat. -1994. V.211. — P.70−84.
- Hidaka Y., Ohnuki S., Takahashi H., Watanabe S. Effect of He on void formation and radiation-induced segregation in dual beam irradiation Fe-Ni-Cr // J. Nucl. Mater. -1994. V.212−215. — P. 330−335.
- Scheuer U., Wahi R.R., Wollenberger H. Stability of the periodic decomposition structure in Cu-Ni-Fe alloys under irradiation // J. Nucl. Mater.1986. V.141/143 B. — P. 767−770.
- Miller M.K., Stoller R.E., Russel K.F. Effect of neutron irradiation on the spinodal decomposition of Fe-32%Cr model alloy // J. Nucl. Mater. 1996. -V.230.-P. 219−225.
- Neklyudov I.M., Voevodin V.N. Feature of structure-phase transformations and segregation processes under irradiation of austenitic and ferritic martensitic steels // J. of Nucl. Mat. -1994. V.212−215. — P.39−44.
- Дубовцев И.А., Гражданкин B.H., Верешков Г. М., Лосев Н. В. Концентрационное расслоение в сплавах железа при низкоэнергетическом' облучении // Изв. Сев. Кавк. научн. центра высш. шк. Естеств. наук.1987.-№ 3.-С. 84−87.
- Dimitrov С., Dimitrov О., Influence of nickel concentration of point defect migration in high-nickel Fe-Cr-Ni alloys // J. Nucl. Mater. 1988. -V.152, № 1. — P.21−29.
- Backhaus-Ricoult M., Peurot A. Internal reduction of polycrystalline Cr-doped alumina // Radiat.Eff. -1995. V.137. — P.305−308.
- Диденко A.H., Шаркеев Ю. П., Козлов Э. В., Рябчиков А. И. Эффекты дальнодействия в ионно-имплантированных металлических материалах. Томск: Изд-во НТЛ, 2004. — 328 с.
- Белый А.В., Кукареко В. А., Лободаева О. В. и др. Ионно-лучевая обработка металлов, сплавов и керамических материалов. Минск: Физико-технический институт, 1998. — 220 с.
- Плешивцев Н.В., Бажин А. И. Физика воздействия ионных пучков на материалы. М.: Вузовская книга, -1998. — 392 с.
- Овчинников В.В. Мессбауэровские методы анализа атомной и магнитной структуры сплавов: Монография. М.: Физматлит, 2002. -256 с.
- Грибков В.А., Григорьев Ф. И., Калин Б. А., Якушин В. Л. Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки металлов. М.: Изд. дом «Круглый год», 2001. — 528 с.
- Брюхов В.В. Повышение стойкости инструмента методом ионной имплантации. Томск: Изд-во HTJI, 2003. — 120 с.
- Баянкин В.Я., Васильев В. Ю., Шабанов И. Н. Сегрегационные эффекты на поверхности метастабильных металлических систем. -Ижевск: Изд-во Ин-та прикл. механики УрО РАН, 1999. 288 с.
- Селищев П.А. Самоорганизация в радиационной физике: Монография. Киев: ООО «Видавництво „Аспект-Пол1граф“, 2004. — 240 с.
- Ермаков А.Е. Твердофазные реакции, неравновесные структуры и магнетизм 3(1-соединений с различным типом химической связи // ФММ. 1991. № 11. С. 4−45.
- Shingu Р.Н., Ishihara K.N., Kuyama J. Non-equilibrium alloys phase produced by mechanical alloying // Proc. of Thirty-Fourth Japan Congress on Mat. Res., Kyoto, Japan. 1991. P. 19−28.
- Верещагин Л.Ф., Зубова E.B., Будрина К. П., Апарников Г. Л. Поведение окислов при действии высокого давления с одновременным приложением напряжения сдвига//ДАН СССР. 1971. Т. 196. № 4. С. 817−818.
- Теплов В.А., Пилюгин В. П., Гавико B.C., Щеголева Н. Н., Гер-васьева И.В., Пацелов A.M. Нанокристаллические Pd и PdH2 полученные сильной пластической деформацией под давлением // ФММ. 1997. Т. 84. Вып. 5. С. 96−104.
- Yermakov A.Ye. Mechanically decomposed Composites // Mat. Sci., Forum, 1995. T. 179−181. P. 455−462.
- Rodriquez Torres C.E., Sanches F.N., Mendoza Zeilis L.A. Decomposition of Fe2B by mechanical grinding // Phys. Rev. 1995. B. 51. № 18. P. 12 142−12 148.
- Sherif El-Eskandarany M., Aoki K., Sumiyama K., Suzuki K. Cyclic crystalline-amorphous transformations of mechanically alloyed Co75Ti25 // Appl. Phys. Letters. 1997. V. 70 (13). P. 1679−1681.
- Nazarov A.A., Romanov A.E., Valiev R.Z. Models of the defect structure and analysis of the mechanical behaviour of nanocrystals // Nanostructured Materials. 1995. T. 6. P. 775−778.
- Martin G. Phase stability under irradiation: Balistic effects // Phys. Rev. B. 1984. V. 30. № 3. P.1424−1436.
- Валиев P.3., Александров И. В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. 271 с.
- Morris D.G. Mechanical behaviour of nanostructured materials, Materials Science Foundations. V. 2.1998.89 p.
- Смирнов Б.И. Генерация вакансий и изменение плотности ще-лочно-галоидных кристаллов при пластической деформации // ФТТ. 1991. Т. 33. № 9. С. 2513−2526.
- Дорофеев Г. А., Ульянов A.JL, Коныгин Г. Н., Елсуков Е. П. Сравнительный анализ механизмов, термодинамики и кинетики механического сплавления в системах Fe (68)M (32) — М = Si, Sn. // ФММ. 2001. — Т. 91, № 1. — С. 47−55.
- De Boer, F.R., Boom, R. et al. Cohesion and Structure V. 1 Cohesion in metals. Transition Metal Alloys / Ed. de Boer, F.R., Boom, R., Mattens, W.C.M., Miedema, A.R., Nissen, A.K. North — Holland. Amsterdam, 1988. -758 p.
- Uenishi K., Kobayashi K.F., Nasu S. et al. Mechanical Alloying in the Fe-Cu System // Z. Metallkund. 1992. V. 83. P. 132−135.
- Uenishi K., Kobayashi K.F., Ishihara K.N., Shingu P.H. Formation of a Super-saturated Solid Solution in the Ag-Cu System by Mechanical Alloying // Mat. Sci. Eng. A. 1991. V. 134. P. 1342−1345.
- Baricco M., Cowlam N., Schiftini L. et al. Copper-Cobalt f. с. c. Me-tastable Phase Prepared by Mechanical Alloying // Phil. Mag. B. 1993. V. 68. P. 957−966.
- Hightower A., Fultz В., Bowman Jr. R.C. Mechanical Alloying of Fe and Mg // J. All. Сотр. 1997. V. 252. P. 238−244.
- Ma E., He J.-H., Schilling P.J. Mechanical Alloying of Immiscible Elements: Ag-Fe Contrasted with Cu-Fe // Phys. Rev. B. 1997. V. 55. P. 55 425 545.
- Li L., Li Z.X., Gao Y. et al. Microstructure Characteristics of Nano-phase Composite Synthesized by Mechanical Alloying of Immiscible Pb-Al and Fe-Cu Systems // Scripta Mater. 1997. V. 36. P. 447−453.
- Koch C.C. Research on Metastable Structures Using High Energy Ball Milling at Noth Carolina State University (Overview) // Mater. Trans. JIM. 1995. V. 36. № 2. P. 85−95.
- Иванов E. Ю. Твердофазные реакции при механическом сплавлении металлов // Механохимический синтез в неорганической химии. Новосибирск: Наука, 1991. С. 190−204.
- Hwang S.J. The effect of microstructure and dispersoids on the mechanical properties of NiAl produced by mechanical alloying // Mater. Sci. Forum. 2000. V. 7. P. 1−6.
- Cardellini F., Mazzone G., Montone A., Antisari M.V. Solid state reactions between Ni and A1 powders induced by plastic deformation // Acta Met-all. Mater. 1994. V. 42. № 7. P. 2445.
- Pabi S.K., Murty B.S. Mechanism of mechanical alloying in Ni-Al and Cu-Zn systems // Mater. Sci. a. Eng. A. 1996. V. 214. P. 146−152.
- Surinach S., Malagelada J., Baro M.D. Thermodynamic properties of nanocrystalline Ni3Al-based alloys prepared by mechanical attrition // Mater. Sci. a. Eng. A. 1993. V. 168. P. 161−164.
- Hwang S.J. The effect of grain size on the mechanical properties of NiAl produced by mechanical alloying // Mater. Sci. Forum. 1999. V. 2−6. P. 581−586.
- Coreno-Alonso 0., Cabanas-Moreno J.G., Cruz-Rivera J.J. Al-Ni in-termetallics produced by spontaneous reaction during milling // Mater. Sci. Forum. 2000. V. 343−346. P. 290−295.
- Massalski T.B. Binary Alloy Phase Diagrams. ASM, 1986.
- Портной B.K., Блинов A.M., Томилин И. А. и др. Образование алюминидов никеля при механическом сплавлении компонентов // ФММ. 2002. Т. 93. № 4. С. 42−49.
- Пустов Л.Ю., Эстрин Э. И., Калошкин С. Д. и др. Особенности фа-.. зовых превращений в богатых железом Fe-Mn сплавах, полученных методом механосплавления // ФММ. 2003. Т. 95. № 6. С. 71−79.
- Волынова Т.Ф. Высокомарганцовистые стали и сплавы. М.: Металлургия, 1988.343 с.
- Gerasimov К.В., Pavlov S.V., New equilibrium phase in the Fe-Ge system obtained by mechanical alloying // Intermetallies. 2000. V. 8. P. 451 452.
- Елсуков Е.П., Дорофеев Г. А., Ульянов А. Л., Немцова О. М., Пор-сев В.Е. Твердофазные реакции в системе Fe (68)Ge (32) при механическом сплавлении // ФММ. 2003. Т. 95. № 2. С. 60−65.
- Елсуков Е.П., Дорофеев Г. А., Ульянов А. Л., Загайнов А. В. Структурно-фазовые превращения при механическом сплавлении системы Fe(50)Ge (50) // ФММ. 2003. Т. 95. № 5. С. 88−95.
- Anthony T.R., Solute segregation and stresses generated around growing voids in metals, in Radiation-induced Voids in Metals, CONF 710 601, Eds.. Corbett, J.W. and Ianniello, L. C. US Atomic Energy Commission, April 1972, p. 630.
- Wiedersich, H., Okamoto, P.R. and Lam, N.Q., A theory of radiation induced segregation in concentrated alloys, J. Nucl. Mat., 83 (1979), 98−108.
- Вакс В.Г., Бейден C.B. Особенности явлений упорядочения в открытых системах: рассмотрение модели сплава под облучением в приближении самосогласованного поля // ЖЭТФ. 1994. — Т.105, № 4. — С.1017−1040.
- Johnson, R.A., and Lam, N.Q., Solute segregation in metals under irradiation, Phys. Rev., B13 (1976), 4364−75-
- Marwick, A.D., Piller, R.C. and Sivell, P.M., Mechanisms of radiation» ' induced segregation in dilute Ni Alloys, J. Nucl. Mat., 83, (1979), 35−41.
- Howard, R.E. and Lidiard, A.B., Matter transport in solids, Rep. Prog. Phys., 27 (1964), 161−240.
- Barbu, A., Expressions microscopiques des flux de solute et d’intersti-tiels dans des gradients de concentration de solute et d’interstitiels pour un cristal de structure c.f.c., Acta Met., 28 (1980), 499−506.
- Martin, G., Contribution of dissipative processes to radiation-induced solid-solution instability, Phys. Rev., B21 (1980), 2122−30.
- Метлов JI.C. Фрагментация твердых тел // Вестник Донецкого университета, сер. А, Естественные науки, вып. 1,2006, С. 269−275.
- Аввакумов Е.Г. Механические методы активирования химических процессов. Новосибирск: Наука, 1979. 260 с.
- S. Swaminathan, М. Ravi Shankar, B.C. Rao, A.H. King, S. Chandrasekar, W.D. Compton and K.P. Trumble. Large Strain Deformation and Nanostructured Materials by Machining // Journal of Materials Science. 2007. -Vol. 42(5).-pp. 1529−1541.. .
- Martin G. Non linear phenomena in solid state diffusion. Diffusion in Materials, NATO ASI Series, Series E: Applied Sciences V. 179. 1989. P. 129−154 (ed. A.L. Laskar et al.), Kluwer Academic Publishers.
- Смирнов Б.И. Генерация вакансий и изменение плотности ще-лочно-галоидных кристаллов при пластической деформации // ФТТ. 1991. Т. 33. № 9. С. 2513−2526.
- Ермаков А.Е., Гапонцев В. Л., Кондратьев В. В., Горностырев Ю. Н. Явление деформационно-стимулированной фазовой неустойчивости нанокристаллических сплавов. //ФММ. 1999. Т. 88. № 3. С. 5−12.
- Пуарье Ж.П. Высокотемпературная пластичность кристаллических тел. М.: Металлургия. 1982.272 с.
- Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. М.: Металлургия. 1986.224 с.
- Schiotz J.D., Di Tolla F.D., Jacobsen K.W. Softening of nanocrystai-line metals at very small grain sizes // Nature. 1998. V. 391. P. 561−563- preprint cond-mat/9 808 211.
- Christian J.W. Theory of transformations in metals and alloys. Second edition. An Advanced text book in physical metallurgy. Part I, Equilibrium and general kinetic theory. Pergamon Press. 1975.
- Процессы взаимной диффузии в сплавах / Под ред. К. П. Гурова, М.: Наука, 1973. 360 с.
- Гегузин Я.Е. Диффузионная зона. М.: Наука, 1979. 250 с.
- Кристиан Дж. Теория превращений в металлах и сплавах, Ч. 1. Термодинамика и общая кинетическая теория, М.: Мир, 1978. 807 с.
- Разумов И.К., Гапонцев В. Л., Горностырев Ю. Н. и др. Теория диффузионных фазовых превращений в нанокристаллических сплавах при-интенсивной пластической деформации. И. Расслоение неидеальных твердых растворов // ФММ. 2003. Т. 96. № 4. С. 5−15.
- Манинг Дж. Кинетика диффузии атомов в кристаллах. М.: Мир, 1971.277 с.
- Гуров К.П., Карташкин Б. А., Угасте Ю. Э. Взаимная диффузия в многофазных металлических системах. М.: Наука, 1981. 350 с.
- Martin G. Atomic mobility in Cahn’s diffusion model // Phys. Rev. B. 1990. V. 41. P. 2279−2283.
- Gouyet J.-F., Plapp M., Dieterich W., Maass P. Description of far-from-equilibrium processes by mean-field lattice gas models //Advances in Physics. 2003. V. 52. P. 523−638.
- Vaks V.G., Kinetics of phase separation and ordering in alloy // Phys. Reports. 2004. V. 391. P. 157−242.
- Vaks V.G., Beiden S.V., Dobretsov V.Yu. Mean-field equation for configurational kinetics of alloys at arbitrary degree of nonequilibrium // Письма в ЖЭТФ. 1995. V. 61. P. 65−70.
- Belashenko K.D., Vaks V.G. The master equation approach to configurational kinetics of alloys via the vacancy exchange mechanism: general relations and features of microstructural evolution //J. Phys.: Condensed Matter. 1998. V. 10. № 9. P. 1965−1983.
- Гапонцев B.JI., Разумов И. К., Горностырев Ю. Н. и др. Теория диффузионных фазовых превращений в нанокристаллических сплавах при интенсивной пластической деформации. III. Сплавы с ограниченной растворимостью // ФММ. 2005. Т. 99. № 4. С. 26−37.
- Гапонцев В.Л., Кондратьев В. В. Диффузионные фазовые превращения в нанокристаллических сплавах при интенсивной пластической' деформации // ДАН. 2002. Т. 385. № 5. С. 608−611.
- Kondrat’ev V.V. and Gapontsev V.L. Anomalous Phase Transformations in Nanostructured Materials during Severe Plastic Deformation // The Physics of Metals and Metallography. 2002. V. 94. Suppl. 1. P. S101-S108.
- Plapp М., Gouyet J.-F. Surface modes and ordered patterns during spinodal decomposition of an ABv model alloy // Phys. Rev. Letters. 1997. V. 78. P. 4970−4973.
- Кристиан Дж. Теория превращений в металлах и сплавах. М.: Мир, 1978. 806 с.
- Базаров И.П., Геворкян Э. В., Николаев П. Н. Неравновесная тер--модинамика и физическая кинетика. М.: Изд-во Московского университета, 1989.-240 с.
- Физическое металловедение. Вып. 2. Фазовые превращения. Металлография /под ред. Р. Кана. М: Мир, — 1968. — 490 с.
- Орлов А.В. Самоорганизация радиационных пор в металлах. -Дисс. к.ф.-м.н., Барнаул, 2000. 159 с.
- Эшелби Дж. Континуальная теория дислокаций: Пер. с англ./Под ред. Б. Я. Любова. М.: ИЛ, 1963.
- Шалаев A.M. Свойства облученных металлов и сплавов: Справочник. -Киев: Наук. Думка, 1985.-308 с.
- Girifalco L. A., Weizer V. G. Application of the Morse potential function to cubic metals// Phys. Rev. 1959. V. 114. P. 687.
- ChemBaik Электронный ресурс. / Ред. Якубов А. Р. Режим доступа: http://www.chemistry-baikal.irk.ru, свободный. — Загл. с экрана.
- Fecht H.-J. Nanostrucrure formation by mechanical attrition. Na-noStruct. Mater., 1995, V. 6, P. 3312.
- Дорофеев Г. А. Механизмы, кинетика и термодинамика механического сплавления в системах железа с sp-элементами. Дисс.. д.ф.-м.н., Ижевск, 2006. — 324 с.
- Gleiter H. Nanostructured materials: state of the art and perspectives. NanoStruct. Mater., 1995, V. 6, No. 1−4, P. 3−14.
- Siegel R.W. in: Mechanical Properties and Deformation Behavior of Materials Having Ultra- Fine Microstructures, eds. M. Naskasi, D. M Parkin and H. Gleiter. Kluver Academic, Dordrecht, 1993, p. 509.
- Stern E.A., Siegel R.W., Newville M., Sanders P G., Haskel D. Are nanophase grain boundaries anomalous? Phys. Rev. Lett., 1995, V. 75, P. 3874−3877.
- Nazarov A.A., Romanov A.E., Valiev R.Z. On the structure, stress fields and energy of nonequilibrium grain boundaries. Acta Met. Mater., 1993, V. 41, P. 1033−1040.
- Bakker H. Miedema’s semi-empirical model for estimating enthalpies in alloys. Mater. Sci. Briefings -1998 — V. 1- P. 1−80.