Неизотермическая механодиффузионная модель начальной стадии процесса внедрения потока частиц в поверхность мишени
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2019.12.1.4Ключевые слова:
поверхностная обработка, связанная модель, поток частиц, распространение волн, нелинейные эффекты, упругие напряжения, диффузия, теплопроводность, релаксация потока тепла, релаксация потока массыАннотация
Представлена в неизотермическом приближении связанная математическая модель начальной стадии процесса внедрения частиц в поверхность металла. Предполагается, что имплантируемые частицы в момент столкновения с мишенью обладают энергией, достаточной для генерации упругих механических возмущений, которые влияют на перераспределение имплантируемого материала. В общем случае модель включает уравнения неразрывности, теплопроводности, баланса для внедряемого компонента и уравнение движения. Определяющие соотношения соответствуют теории обобщенной термоупругой диффузии. В модели учитываются конечность времен релаксации к термодинамическому равновесию потоков тепла и массы и взаимодействие волн разной физической природы (волн концентрации примеси, волн напряжений (деформаций) и температуры). Подробно описаны упрощающие приближения, процесс обезразмеривания уравнений модели и метод их решения. Задача реализована численно с использованием метода прогонки. Приведены примеры решения связанной задачи для системы материалов Mo(Ni). Детально процессы внедрения и перераспределения примеси в поверхностном слое мишени рассмотрены в моменты времени, меньшие и большие значений относительных времен релаксации потоков тепла и массы. Установлено, что с течением времени взаимодействие процессов проявляется по-разному. Показано, что взаимовлияние волн различной физической природы приводит к распределениям температуры и концентрации, которые не отвечают классическим представлениям, следующим из моделей с законами Фурье и Фика. В работе продемонстрированы искажения волн деформации и температуры, которые и свидетельствуют о взаимодействии исследуемых процессов. Выявлено, что чем ближе текущий момент времени к относительному времени релаксации потока массы и времени действия внешнего импульса, тем заметнее меняются профили волн.
Скачивания
Библиографические ссылки
Белый А.В., Макушок Е.М., Поболь И.Л. Поверхностная упрочняющая обработка с применением концентрированных потоков энергии. Минск: Навука i тэхника, 1990. 78 с.
Комаров Ф.Ф., Новиков А.П. Ионно-лучевое перемешивание при облучении металлов // Итоги науки и техники. Серия: Пучки заряженных частиц и твердое тело. Распыление. М.: ВИНИТИ, 1993. Т. 7. С. 54-81.
Комаров Ф.Ф., Новиков А.П., Буренков А.Ф. Ионная имплантация. Минск: Унiверсiтэцкае, 1994. 303 с.
Panin A.V., Kazachenok M.S., Borodovitsina O.M., Perevalova O.B., Stepanovа O.M., Ivanov Yu.F. Modification of the structure of surface layers of commercial titanium in the process of treatment by low-energy high-current electron beams // Phys. Metals Metallogr. 2016. Vol. 117. Р. 550-561. https://doi.org/10.1134/S0031918X16060089">DOI
Hao S., Zhao L., Zhang Y., Wang H. Improving corrosion and wear resistance of FV520B steel by high current pulsed electron beam surface treatment // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B. 2015. Vol. 356-357. P. 12-16. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2015.04.046">DOI
Лейви А.Я., Талала К.А., Красников В.С., Яловец А.П. Модификация свойств конструкционных материалов интенсивными потоками заряженных частиц и плазмы // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». 2016. Т. 16, № 1. С. 28-55.
Zagulyaev D., Konovalov S., Gromov V., Glezer A., Ivanov Yu., Sundeev R. Structure and properties changes of Al-Si alloy treated by pulsed electron beam // Mater. Lett. 2018. Vol. 229. P. 377-380. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.07.064">DOI
Панин А.В., Казаченок М.С., Перевалова О.Б., Синякова Е.А., Круковский К.В., Мартынов С.А. Многоуровневые механизмы деформационного поведения технического титана и сплава Ti–6Al–4V, подвергнутых обработке высокочастотными электронными пучками // Физ. мезомех. 2018. Т. 21, № 4. С. 45-56. https://doi.org/10.24411/1683-805X-2018-14005">DOI
Бойко В.И., Скворцов В.А., Фортов В.Е., Шаманин И.В. Взаимодействие импульсных пучков заряженных частиц с веществом. М.: Физматлит, 2003. 288 с.
Бойко В.И., Данейкин Ю.В., Хадкевич А.В., Юшицин К.В. Влияние механизмов генерации на профиль импульса механических напряжений в металлической мишени при воздействии мощных ионных пучков // Известия ТПУ. 2007. Т. 310, № 2. С. 87-93.
Chason E., Karlson M., Colin J.J., Magnfalt D., Sarakinos K., Abadias G. A kinetic model for stress generation in thin films grown from energetic vapor fluxes // J. Appl. Phys. 2016. Vol. 119. 145307. https://doi.org/10.1063/1.4946039">DOI
Амирханов И.В., Дидык А.Ю., Музафаров Д.З., Пузынин И.В., Пузынина Т.П., Саркар Н.Р., Сархадов И., Шарипов З.А. Модельное описание термоупругих напряжений в материалах при облучении тяжелыми ионами высоких энергий // Вестник РУДН. Серия Математика. Информатика. Физика. 2010. № 3(2). С. 68-71.
Remnev G.E., Uglov V.V., Shymanski V.I., Pavlov S.K., Kuleshovb A.K. Formation of nanoscale carbon structures in the surface layer of metals under the impact of high intensity ion beam // Appl. Surf. Sci. 2014. Vol. 310. P. 204-209. http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.04.068">DOI
Индейцев Д.А., Мочалова Ю.А. Диффузия примеси в материале под действием вибрационных нагрузок // Чебышевский сборник. 2017. Т. 18, № 3. С. 292-305. URL: https://www.chebsbornik.ru/jour/article/view/360/325">https://www.chebsbornik.ru/jour/article/view/360/325
Индейцев Д.А., Мещеряков Ю.И., Кучмин А.Ю., Вавилов Д.С. Многомасштабная модель распространения стационарных упругопластических волн // Изв. РАН. МТТ. 2014. Т. 459, № 2. С. 165-168. https://doi.org/10.7868/S0869565214260107">DOI
Eringen A.C. Mechanics of continua. New York: Huntington, 1980. 605 p.
Кожевникова М.Е., Ротанова Т.А., Валов А.В. Компьютерное моделирование плоских задач термоупругости: сравнительный анализ решений в связанной и несвязанной постановках // Вычисл. мех. сплош. сред. 2017. Т. 10, № 4. С. 388-398. http://dx.doi.org/10.7242/1999-6691/2017.10.4.30">DOI
Амирханов И.В., Пузынин И.В., Пузынина Т.П., Сархадов И. Исследование термоупругих эффектов в металлах в рамках модифицированной модели термического пика // Вестник РУДН. Серия Математика. Информатика. Физика. 2013. № 2. С. 77-84.
Бойко В.И., Данейкин Ю.В., Пименов Э.Ю., Лисов В.И. Характеристики ударно-волнового возмущения в металлах при облучении ионными пучками // Известия ВУЗов. Физика. 2014. Т. 57, № 11-2. С. 151-156.
Давыдов С.А., Земсков А.В., Тарлаковский Д.В. Двухкомпонентное упруго диффузионное полупространство под действием нестационарных возмущений // Экологический вестник научных центров ЧЭС. 2014. № 2. С. 31-38.
Давыдов С.А., Земсков А.В., Тарлаковский Д.В. Упругое полупространство под действием одномерных нестационарных диффузионных возмущений // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. Науки. 2014. Т. 156, № 1. С. 70-78.
Давыдов С.А., Земсков А.В., Тарлаковский Д.В. Поверхностные функции Грина в нестационарных задачах термомеханодиффузии // ППП. 2017. Т. 79, № 1. С. 38-47. https://doi.org/10.32326/1814-9146-2017-79-1-38-47">DOI
Чумаков Ю.А., Князева А.Г. Связанные процессы тепломассопереноса и эволюция напряжений в диске с включением в условиях воздействия концентрированного потока энергии // Физ. мезомех. 2013. Т.16, № 2. С. 85-91
Konovalov S., Chen X., Sarychev V., Nevskii S., Gromov V., Trtica M. Mathematical modeling of the concentrated energy flow effect on metallic materials // Metals. 2017. Vol. 7(1). 4. https://doi.org/10.3390/met7010004">DOI
Ильина Е.С., Демидов В.Н., Князева А.Г. Особенности моделирования диффузионных процессов в упругом теле при его поверхностной модификации частицами // Вестник ПНИПУ. Механика. 2012. № 3. С. 25-49.
Sherief H.H., Hamza F.A., Saleh H.A. The theory of generalized thermoelastic diffusion // Int. J. Eng. Sci. 2004. Vol. 42. P. 591‑608. https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2003.05.001">DOI
Aouadi M. Generalized theory of thermoelastic diffusion for anisotropic media // J. Therm. Stresses. 2008. Vol. 31. P. 270-285. https://doi.org/10.1080/01495730701876742">DOI
Князева А.Г. Диффузия и реология в локально-равновесной термодинамике // Вестник ПНИПУ. Механика. 2005. № 13. С. 45-60.
Князева А.Г. Нелинейные модели деформируемых сред с диффузией // Физ. мезомех. 2011. Т. 14, № 6. С. 35-51.
Седов Л.И. Механика сплошной среды. Том 1. М: Наука, 1970. 492 с.
###
Belyy A.V., Makushok E.M., Pobol’ I.L. Poverkhnostnaya uprochnyayushchaya obrabotka s primeneniyem kontsentrirovannykh potokov energii [Surface hardening treatment with concentrated energy flows]. Minsk, Nauka i tekhnika, 1990. 78 р.
Komarov F.F., Novikov A.P. Ionno-luchevoye peremeshivaniye pri obluchenii metallov [Ion-beam mixing with metal irradiation]. Itogi nauki i tekhniki. Seriya: Puchki zaryazhennykh chastits i tverdoye telo. Raspyleniye [Results of science and technology. Series: Charged particle beams and solid. Spraying]. Moscow, VINITI, 1993, vol. 7, pp. 54-81.
Komarov F.F., Novikov A.P., Burenkov A.F. Ionnaya implantatsiya [Ion implantation]. Minsk, Universitehckae, 1994. 303 p.
Panin A.V., Kazachenok M.S., Borodovitsina O.M., Perevalova O.B., StepanovаM., Ivanov Yu.F. Modification of the structure of surface layers of commercial titanium in the process of treatment by low-energy high-current electron beams. Phys. Metals Metallogr., 2016, vol. 117, pp. 550-561. https://doi.org/10.1134/S0031918X16060089">DOI
Hao S., Zhao L., Zhang Y., Wang H. Improving corrosion and wear resistance of FV520B steel by high current pulsed electron beam surface treatment. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 2015, vol. 356-357, pp. 12-16. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2015.04.046">DOI
Leyvi A.Ya., Talala K.A., Krasnikov V.S., Yalovets A.P. Modification of the constructional materials with the intensive charged particle beams and plasma flows. Vestnik YuUrGU. Seriya «Mashinostroyeniye» – Bulletin of South Ural State University. Series “Mechanical Engineering Industry”, 2016, vol. 16, no. 1, pp. 28-55.
Zagulyaev D., Konovalov S., Gromov V., Glezer A., Ivanov Yu., Sundeev R. Structure and properties changes of Al-Si alloy treated by pulsed electron beam. Lett., 2018, vol. 229, pp. 377-380. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.07.064">DOI
Panin A.V., Kazachenok M.S., Perevalova O.B., Sinyakova E.A., Krukovsky K.V., Martynov S.A. Mutiscale deformation of commercial titanium and Ti-6Al-4V alloy subjected to electron beam surface treatment. Mezomeh., 2018, vol. 21, pp. 441‑451. https://doi.org/10.1134/S1029959918050089">DOI
Boyko V.I., Skvortsov V.A., Fortov V.E., Shamanin I.V. Vzaimodeystviye impul’snykh puchkov zaryazhennykh chastits s veshchestvom [The interaction of pulsed beams of charged particles with matter]. Moscow, Fizmatlit, 2003. 288 p.
Boyko V.I., Daneykin Yu.V., Khadkevich А.V., Yushitsin К.V. Influence of generation mechanisms on pulse profile of mechanical stress in metal target under the action of power ion beams. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, 2007, vol. 310, no. 2, pp. 82-88.
Chason E., Karlson M., Colin J.J., Magnfalt D., Sarakinos K., Abadias G. A kinetic model for stress generation in thin films grown from energetic vapor fluxes. Appl. Phys., 2016, vol. 119, 145307. https://doi.org/10.1063/1.4946039">DOI
Amirkhanov I.V., Didyk A. Yu., Muzafarov D.Z., Puzynin I.V., Puzynina T.P., Sarker N.R., Sarhadov I., Sharipov Z.A. Model description of thermoelastic tensions in materials exposed to high energy heavy ions. Vestnik RUDN. Seriya Matematika. Informatika. Fizika – RUDN Journal of Mathematics, Information Sciences and Physics, 2010, no. 3(2), pp. 68-71.
Remnev G.E., Uglov V.V., Shymanski V.I., Pavlov S.K., Kuleshovb A.K. Formation of nanoscale carbon structures in the surface layer of metals under the impact of high intensity ion beam. Surf. Sci., 2014, vol. 310, pp. 204-209. http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.04.068">DOI
Indeytsev D.A., Mochalova Yu.A. Impurity diffusion in material under vibration loads. Chebyshevskii Sbornik, 2017, vol.18, no. 3, pp. 292-305. URL: https://www.chebsbornik.ru/jour/article/view/360/325">https://www.chebsbornik.ru/jour/article/view/360/325
Indeitsev D.A., Meshcheryakov Yu.I., Kuchmin A.Yu., Vavilov D.S. A Multiscale model of propagation of steady elasto-plastic waves. Phys., 2014, vol. 59, pp. 423-426. https://doi.org/10.1134/S1028335814090055">DOI
Eringen A.C. Mechanics of continua. New York: Huntington, 1980. 605
Kozhevnikova M.E., Rotanova T.A., Valov A.V. Computer simulation of the plane thermoelasticity problems: comparative analysis of coupled and uncoupled statements. mekh. splosh. sred – Computational continuum mechanics, 2017, vol. 10, no. 4, pp. 388-398. http://dx.doi.org/10.7242/1999-6691/2017.10.4.30">DOI
Amirkhanov I.V., Puzynin I.V., Puzynina T.P., Sarhadov I. Investigation of thermoelastic effects in metals in the frame of the modified thermal spike model. Vestnik RUDN. Seriya Matematika. Informatika. Fizika – RUDN Journal of Mathematics, Information Sciences and Physics, 2013, no. 2, pp. 77-84.
Boyko V.I., Daneykin Yu.V., Pimenov E.Yu., Lisov V.I. Kharakteristiki udarno-volnovogo vozmushcheniya v metallakh pri obluchenii ionnymi puchkami [Characteristics of a shock wave perturbation in metals irradiated by ion beams]. Vuzov. Fizika – Russian Physics Journal, 2014, vol. 57, no. 11/2, pp. 151-156.
Davydov S.A., Zemskov A.V., Tarlakovskiy D.V. Dvukhkomponentnoye uprugo diffuzionnoye poluprostranstvo pod deystviyem nestatsionarnykh vozmushcheniy [Two-component elastic diffusion half-space under the action of non-stationary perturbations]. Ekologicheskiy vestnik nauchnykh tsentrov ChES – Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation, 2014, no. 2, pp. 31-38.
Davydov S.A., Zemskov A.V., Tarlakovskiy D.V. Uprugoye poluprostranstvo pod deystviyem odnomernykh nestatsionarnykh diffuzionnykh vozmushcheniy [An elastic half space under the action of one-dimensional time-dependent diffusion perturbations]. zap. Kazan. un-ta. Fiz.-matem. Nauki – Scientific notes of the Kazan State University. Series: Physics and mathematics, 2014, vol. 156, no. 1, pp. 70-78.
Davydov S.A., Zemskov A.V., Tarlakovskii D.V. Surface green''s function in non-stationary problems of thermomechanical diffusion. PPP – The Problems of Strength and Plasticity, 2017, vol.79, no. 1, pp. 38-47.
Chumakov Yu.A., Knyazeva A.G. Interrelated processes of heat mass transfer and stress evolution in a disk with an inclusion under the action of high-density energy flow. mezomekh. – Physical mesomechanics, 2013, vol. 16, no. 2, pp. 85-91.
Konovalov S., Chen X., Sarychev V., Nevskii S., Gromov V., Trtica M. Mathematical modeling of the concentrated energy flow effect on metallic materials. Metals, 2017, vol. 7(1), 4. https://doi.org/10.3390/met7010004">DOI
Il'ina E.S., Demidov V.N., Knyazeva A.G. The modeling features of diffusion processes in elastic body under particles surface treatment. Vestnik PNIPU. Mekhanika – PNRPU Mechanics Bulletin, 2012, no. 3, pp. 25-49.
Sherief H.H., Hamza F.A., Saleh H.A. The theory of generalized thermoelastic diffusion. J. Eng. Sci., 2004, vol. 42, pp. 591‑608. https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2003.05.001">DOI
Aouadi M. Generalized theory of thermoelastic diffusion for anisotropic media. Therm. Stresses, 2008, vol. 31, pp. 270-285. https://doi.org/10.1080/01495730701876742">DOI
Knyazeva A.G. Diffuziya i reologiya v lokal’no-ravnovesnoy termodinamike [Diffusion and rheology in locally-equilibrium thermodynamics]. Vestnik PNIPU. Mekhanika – PNRPU Mechanics Bulletin, 2005, no. 13, pp. 45-60.
Knyazeva A.G. Nonlinear diffusion models of deformed media. mezomekh. – Physical mesomechanics, 2011, vol. 14, no. 6, pp. 35-51.
Sedov L.I. Mekhanika sploshnoy sredy [Continuum mechanics]. Moscow, Nauka, 1970. Vol. 1. 492 р.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2019 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
