Моделирование зернограничной диффузии в условиях нестационарного нагрева

Аннотация

Зернограничная диффузия оказывает существенное влияние на физико-механические и химические свойства конструкционных материалов. Экспериментальные исследования показывают, что процессы переноса происходят интенсивнее в материалах с большей долей границ. У этих материалов снижается температура, необходимая для активации диффузии. Зернограничной диффузии уделяется большое внимание в таких областях, как материаловедение, физика и химия металлов, металловедение. Однако практически отсутствуют публикации, в которых были бы отражены исследования диффузии по границам зерен и фаз в неизотермических условиях. В настоящей работе предложена двумерная модель перераспределения легирующего элемента из аморфного покрытия в подложку. Подложка представлена в виде чередующихся зерен с тройными стыками. Стыки - области, примыкающие к границам зерен, заданы явно и имеют конечную толщину. Разные соотношения между размерами зерен и шириной границ позволяют говорить о диффузии в микро- и нанокристаллическом материале. Перераспределение легирующего элемента инициируется одним или несколькими тепловыми импульсами, связанными с действием электронного луча. При формулировке тепловой части задачи учитывается, что характерные масштабы тепловых и диффузионных процессов существенно различны. В диффузионной задаче принимается во внимание зависимость коэффициентов диффузии в объеме зерен и границах между ними от температуры. Задача решена численно. При варьировании параметров модели выявлено, что наибольшее влияние на распределение диффузанта оказывает отношение энергий активации в фазах. Импульсная обработка, по сравнению с обработкой при постоянном нагреве, приводит к замедлению диффузии вдоль границ зерен. Результаты, полученные при моделировании, качественно согласуются с данными, найденными в литературе.