Влияние параметров химической реакции на взаимодействие тепловых, диффузионных и механических волн в условиях обработки поверхности потоком частиц
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2021.14.1.7Ключевые слова:
связанная модель, поток частиц, распространение волн, нелинейные эффекты, упругие напряжения, диффузия, теплопроводность, релаксация потока тепла, релаксация потока массы, химическая реакцияАннотация
Предложена связанная неизотермическая математическая модель процесса внедрения материала в поверхность мишени в условиях поверхностной обработки потоком частиц. Учитывается взаимовлияние диффузии примеси, распространения тепла и механических возмущений, а также химическая реакция между внедряемой примесью и материалом подложки. Описан процесс обезразмеривания параметров модели и приведен диапазон числовых значений для каждого из них. На основе построенной модели численно решена задача совместного распространения упругих механических волн, которые генерируются при ударе частиц о поверхность, и диффузии внедряемых частиц с учетом их химического взаимодействия с обрабатываемым материалом и неизотермичности процесса. Для представления производных использована неявная симметричная разностная схема второго порядка аппроксимации как по времени, так и по координате. Решения получены для разных временных интервалов, определяемых характерным временем действия импульса и временами релаксации для диффузии и теплопроводности. Установлено, что взаимосвязь разномасштабных процессов приводит к появлению искажений в характерах волн деформаций и напряжений, а распределения температуры и концентрации примеси приобретают волновой характер. Образование химического соединения вызывает уменьшение концентрации примеси и увеличение температуры, напряжений и деформаций. Показано, что химическая реакция при малом выделении тепла протекает только до тех пор, пока растет температура за счет вводимой энергии. Далее тепла для продолжения реакции оказывается недостаточно. Также установлено, что при медленной генерации продукта в реакции практически отсутствует влияние химического взаимодействия на распространение температуры, деформаций, напряжений и концентрации примеси.
Скачивания
Библиографические ссылки
Колесников В.И., Кудряков О.В., Забияка И.Ю., Новиков Е.С., Мантуров Д.С. Структурные аспекты износостойкости вакуумных ионно-плазменных покрытий // Физ. мезомех. 2020. Т. 23, № 1. С. 62-77. https://doi.org/10.24411/1683-805X-2020-11006">https://doi.org/10.24411/1683-805X-2020-11006
Панин В.Е., Наркевич Н.А., Дураков В.Г., Шулепов И.А. Управление структурой и износостойкостью электронно-лучевого покрытия из углеродоазотистой аустенитной стали // Физ. мезомех. 2020. Т. 23, № 2. С. 15-23. https://doi.org/10.24411/1683-805X-2020-12002">https://doi.org/10.24411/1683-805X-2020-12002
Белый А.В., Кукареко В.А., Кононов А.Г., Биленко Э.Г. Структурные превращения и аморфизация сплава Fe-Zr при облучении интенсивными потоками ионов азота // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2008. № 5. С. 13-16. (English version https://doi.org/10.1134/S1027451008030026">https://doi.org/10.1134/S1027451008030026)
Курзина И.А., Попова Н.А., Никоненко Е.Л., Калашников М.П., Савкин К.П., Шаркеев Ю.П., Козлов Э.В. Влияние дозы облучения на структурно-фазовое состояние поверхностных слоев ультрамелкозернистого титана // Изв. вузов. Физика. 2014. Т. 57, № 7-2. С. 74-78.
Вершинин Г.А., Грекова T.C., Геринг Г.И., Курзина И.А., Шаркеев Ю.П. Анализ формирования концентрационных полей в титане при имплантации ионов алюминия через осаждаемую на поверхность мишени газо-металлическую пленку // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2012. № 3. С. 68-71. (English version https://doi.org/10.1134/S1027451012030226">https://doi.org/10.1134/S1027451012030226)
Валяев А.Н. Модификация свойств материалов и синтез тонких пленок при облучении интенсивными электронными и ионными пучками. Усть-Каменогорск: ВКТУ, 2000. 345 с.
Углов В.В., Черенда Н.Н., Анищик В.М., Асташинский В.М., Квасов Н.Т. Модификация материалов компрессионными плазменными потоками. Минск: БГУ, 2013. 248 с.
Жмакин А.И. Теплопроводность за пределами закона Фурье // ЖТФ. 2021. Т. 91, № 1. С. 5-25. https://doi.org/10.21883/JTF.2021.01.50267.207-20">https://doi.org/10.21883/JTF.2021.01.50267.207-20
Babenkov M.B., Ivanova E.A. Analysis of the wave propagation processes in heat transfer problems of the hyperbolic type // Continuum Mech. Thermodyn. 2014. Vol. 26. P. 483-502. https://doi.org/10.1007/s00161-013-0315-8">https://doi.org/10.1007/s00161-013-0315-8
Бабенков М.Б. Анализ распространения гармонических возмущений в термоупругой среде с релаксацией теплового потока // ПМТФ. 2013. Т. 54, № 2. С. 126-137. (English version https://doi.org/10.1134/S0021894413020132">https://doi.org/10.1134/S0021894413020132)
Князева А.Г. Нелинейные модели деформируемых сред с диффузией // Физ. мезомех. 2011. Т. 14, № 6. С. 35-51.
Чепак-Гизбрехт М.В., Князева А.Г. Влияние термодиффузии на перераспределение элементов и механические напряжения при обработке поверхности металла потоком частиц // Изв. вузов. Физика. 2013. Т. 56, № 12-2. С. 39‑45.
Князева А.Г., Хан А. Формирования интерметаллидных фаз в условиях ионной имплантации // Изв. вузов. Физика. 2015. Т. 58, № 6-2. С. 126-130.
Давыдов С.А., Земсков А.В., Тарлаковский Д.В. Поверхностные функции Грина в нестационарных задачах термомеханодиффузии // ППП. 2017. Т. 79, № 1. С. 38-47.
Вестяк А.В., Земсков А.В., Тарлаковский Д.В. Двумерная нестационарная задача упругой диффузии для ортотропной однокомпонентной полуплоскости // ППП. 2016. Т. 78, № 1. С. 13-21.
Парфенова Е.С., Князева А.Г. Неизотермическая механодиффузионная модель начальной стадии процесса внедрения потока частиц в поверхность мишени // Вычисл. мех. сплош. сред. 2019. Т. 12, № 1. С. 36-47. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2019.12.1.4">https://doi.org/10.7242/1999-6691/2019.12.1.4
Nowacki W. Dynamical problems of thermodiffusion in solids. Part I // Bull. Acad. Pol. Sci. Ser. Sci. Technol. 1974. Vol. 22. P. 55-64.
Nowacki W. Dynamical problems of thermodiffusion in solids. Part II // Bull. Acad. Pol. Sci. Ser. Sci. Technol. 1974. Vol. 22. P. 129-135.
NowackiW. Dynamical problems of thermodiffusion in solids. Part III // Bull. Acad. Pol. Sci. Ser. Sci. Technol. 1974. Vol. 22. P. 257-266.
Nowacki W. Dynamical problems of thermodiffusion in elastic solids // Proc. Vib. Probl. 1974. Vol. 15. P. 105-128.
Sherief H.H., Hamza F., Saleh H. 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">https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2003.05.001
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">https://doi.org/10.1080/01495730701876742
Князева А.Г. Диффузия и реология в локально-равновесной термодинамике // Вестник ПГТУ. Математическое моделирование систем и процессов. 2005. № 13. С. 45-60.
Седов Л.И. Механика сплошной среды. Том 1. М.: Наука, 1970. 492 с.
Aouadi M. A theory of thermoelastic diffusion materials with voids // Z. Angew. Math. Phys. 2010. Vol. 61. P. 357-379. https://doi.org/10.1007/s00033-009-0016-0">https://doi.org/10.1007/s00033-009-0016-0
Aouadi M. Theory of generalized micropolar thermoelastic diffusion under Lord-Shulman model // J. Therm. Stresses. 2009. Vol. 32. P. 923-942. https://doi.org/10.1080/01495730903032276">https://doi.org/10.1080/01495730903032276
Elhagary M.A. Generalized thermoelastic diffusion problem for an infinitely long hollow cylinder for short times // Acta Mech. 2011. Vol. 218. P. 205-215. https://doi.org/10.1007/s00707-010-0415-5">https://doi.org/10.1007/s00707-010-0415-5
Новацкий В. Динамические задачи термоупругости / Под ред. Г.С. Шапиро. М.: Мир, 1970. 256 с.
Подстригач Я.С., Коляно Ю.М. Обобщенная термомеханика. Киев: Наукова думка, 1976. 311 с.
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.
Физические величины: Справочник / Под ред. А.С. Григорьева, К.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
###
Kolesnikov V.I., Kudryakov O.V., Zabiyaka I.Yu., Novikov E.S., Manturov D.S. Structural aspects of wear resistance of coatings deposited by physical vapor deposition. Phys. Mesomech., 2020, vol. 23, pp. 570-583. https://doi.org/10.1134/S1029959920060132">https://doi.org/10.1134/S1029959920060132
Panin V.E., Narkevich N.A., Durakov V.G., Shulepov I.A. Control over the structure and wear resistance of an electron beam overlay coating of carbon-nitrogen austenitic steel. Fiz. mezomekh. – Physical mesomechanics, 2020, vol. 23, no. 2, pp. 15-23. https://doi.org/10.24411/1683-805X-2020-12002">https://doi.org/10.24411/1683-805X-2020-12002
Byeli A.V., Kukareko V.A., Kononov A.G., Bilenko E.G. Structure transformations and amorphization of Fe-Zr alloy under irradiation with nitrogen ion intense flows. J. Synch. Investig., 2008, vol. 2, pp. 340-343. https://doi.org/10.1134/S1027451008030026">https://doi.org/10.1134/S1027451008030026
Kurzina I.A., Popova N.A., Nikonenko E.L., Kalashnikov M.P., Savkin K.P., Sharkeev Yu.P., Kozlov E.V. Influence of the irradiated dose on structural state and phase composition of surface layers ultrafine-titanium. Izv. vuzov. Fizika – Russian Physics Journal, 2014, vol. 57, no. 7-2, pp. 74-78.
Vershinin G.A., Grekova T.S., Gering G.I., Kurzina I.A., Sharkeev Yu.P. Analysis of concentration field formation in titanium under aluminum ion implantation via a gas-and-metal film deposited on a target surface. J. Synch. Investig., 2012, vol. 6, pp. 251-254. https://doi.org/10.1134/S1027451012030226">https://doi.org/10.1134/S1027451012030226
Valyayev A.N. Modifikatsiya svoystv materialov i sintez tonkikh plenok pri obluchenii intensivnymi elektronnymi i ionnymi puchkami [Modification of material properties and synthesis of thin films by irradiation with intense electron and ion beams]. Ust-Kamenogorsk, VKTU, 2000. 345 p.
Uglov V.V., Cherenda N.N., Anishchik V.M., Astashinskiy V.M., Kvasov N.T. Modifikatsiya materialov kompressionnymi plazmennymi potokami [Modification of materials by compressive plasma flows]. Minsk, BGU, 2013. 248 p.
Zhmakin A.I. Heat conduction beyond the Fourier law. Tech. Phys., 2021, vol. 66, pp. 1-22. https://doi.org/10.1134/S1063784221010242">https://doi.org/10.1134/S1063784221010242
Babenkov M.B., Ivanova E.A. Analysis of the wave propagation processes in heat transfer problems of the hyperbolic type. Continuum Mech. Thermodyn., 2014, vol. 26, pp. 483-502. https://doi.org/10.1007/s00161-013-0315-8">https://doi.org/10.1007/s00161-013-0315-8
Babenkov M.B. Propagation of harmonic perturbations in a thermoelastic medium with heat relaxation. J. Appl. Mech. Tech. Phy., 2013, vol. 54, pp. 277-286. https://doi.org/10.1134/S0021894413020132">https://doi.org/10.1134/S0021894413020132
Knyazeva A.G. Nonlinear diffusion models of deformed media. Fiz. mezomekh. – Physical mesomechanics, 2011, vol. 14, no. 6, pp. 35-51.
Chepak-Gizbrekht M.V., Knyazeva A.G. Influence of thermal diffusion on the redistribution of elements and mechanical stresses during metal surface treatment with a particle beam. Izv. vuzov. Fizika – Russian Physics Journal, 2013, vol. 56, no. 12-2, pp. 39-45.
Knyazeva A.G., Han A. Intermetallic phases formation at the conditions of ion implantation. Izv. vuzov. Fizika – Russian Physics Journal, 2015, vol. 58, no. 6-2, pp. 126-130.
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.
Vestyak A.V., Zemskov A.V., Tarlakovskii D.V. Two-dimensional unsteady problem of elasticity with diffusion for orthotropic one-component half-plane. PPP – The Problems of Strength and Plasticity, 2016. vol. 78, no. 1, pp. 13-21.
Parfenova E.S., Knyazeva A.G. Non-isothermal mechanodiffusion model of the initial stage of penetration of particle flow in a target surface. Vychisl. mekh. splosh. sred – Computational continuum mechanics, 2019. vol. 12, no. 1, pp. 36-47. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2019.12.1.4">https://doi.org/10.7242/1999-6691/2019.12.1.4
Nowacki W. Dynamical problems of thermodiffusion in solids. Part I. Bull. Acad. Pol. Sci. Ser. Sci. Technol., 1974, vol. 22, pp. 55-64.
Nowacki W. Dynamical problems of thermodiffusion in solids. Part II. Bull. Acad. Pol. Sci. Ser. Sci. Technol., 1974, vol. 22, pp. 129-135.
Nowacki W. Dynamical problems of thermodiffusion in solids. Part III. Bull. Acad. Pol. Sci. Ser. Sci. Technol., 1974, vol. 22, pp. 257-266.
Nowacki W. Dynamical problems of thermodiffusion in elastic solids. Proc. Vib. Probl., 1974. vol. 15, pp. 105-128.
Sherief H.H., Hamza F., Saleh H. The theory of generalized thermoelastic diffusion. Int. J. Eng. Sci., 2004, vol. 42, pp. 591‑608. https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2003.05.001">https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2003.05.001
Aouadi M. Generalized theory of thermoelastic diffusion for anisotropic media. J. Therm. Stresses, 2008, vol. 31, pp. 270‑285. https://doi.org/10.1080/01495730701876742">https://doi.org/10.1080/01495730701876742
Knyazeva A.G. Diffuziya i reologiya v lokal’no-ravnovesnoy termodinamike [Diffusion and rheology in locally-equilibrium thermodynamics]. Vestnik PGTU. Matematicheskoye modelirovaniye sistem i protsessov – PNRPU Mechanics Bulletin, 2005, no. 13, pp. 45-60.
Sedov L.I. Mekhanika sploshnoy sredy. T. 1 [Continuum mechanics. Vol. 1]. Moscow, Nauka, 1970. 492 р.
Aouadi M. A theory of thermoelastic diffusion materials with voids. Z. Angew. Math. Phys., 2010, vol. 61, pp. 357-379. https://doi.org/10.1007/s00033-009-0016-0">https://doi.org/10.1007/s00033-009-0016-0
Aouadi M. Theory of generalized micropolar thermoelastic diffusion under Lord-Shulman model. J. Therm. Stresses, 2009, vol. 32, pp. 923-942. https://doi.org/10.1080/01495730903032276">https://doi.org/10.1080/01495730903032276
Elhagary M.A. Generalized thermoelastic diffusion problem for an infinitely long hollow cylinder for short times. Acta Mech., 2011, vol. 218, pp. 205-215. https://doi.org/10.1007/s00707-010-0415-5">https://doi.org/10.1007/s00707-010-0415-5
Nowacki W. Dynamiczne zagadnienia termosprężystości [Dynamical problems of thermoelasticity]. Warzawa, 1966. 366 р.
Podstrigach Ya.S., Kolyano Yu.M. Obobshchennaya termomekhanika [Generalized Thermomechanics]. Kiev, Naukova dumka, 1976. 311 p.
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.
Grigor’yev A.S., Meylikhov K.Z. (ed.) Fizicheskiye velichiny: Spravochnik [Physical quantities: Handbook]. Moscow, Energoatomizdat, 1991. 1232 p.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2021 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
