Двумерная модель зернограничной диффузии и окисления

Автор: Чепак-гизбрехт М.В., Князева А.Г.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 1, 2022 года.

Бесплатный доступ

Измельчение структуры материалов сопровождается изменением физико-механических свойств. Это происходит во многом благодаря накоплению энергии и дефектов в структуре, что активизирует диффузию примесей, содержащихся в материале. Увеличение числа границ зерен и стыков может являться причиной неупругого поведения материала, его дополнительной химической активации. Для одних металлов и сплавов это приводит к упрочнению, а для других - к стремительной деградации механических свойств. Зернограничная диффузия в таких материалах является основным механизмом транспортировки легирующих компонентов или вредных примесей, поэтому ее исследование важно. В настоящей работе представлена двумерная модель зернограничной диффузии в материале с явным заданием структуры. В модели учитывается наличие химических превращений, которые могут определять механизмы коррозии в условиях эксплуатации. Структура материала для простоты расчета принята симметричной и содержит две фазы: зёрна и граничную фазу. Диффузионные и кинетические параметры фаз могут отличаться. Модель представлена в безразмерном виде так, что расстояния между соседними зернами или ширина граничной фазы одинаковы, а размеры зерен могут изменяться. В зависимости от соотношения размеров фаз можем говорить о микро- и нанокристаллической структуре. Задача решена численно с использованием неявной разностной схемы и расщепления по координатам. Для расчетов приняты диффузионные и кинетические параметры, которые близки к параметрам зернограничной диффузии кислорода в титане и окислению титана соответственно. Интегральные концентрации отражают динамику (кинетику) накопления кислорода и оксидов по площади расчетной области. Представлены результаты, показывающие роль изменения констант реакций в фазах и соотношения размеров зерен. Модель может быть полезна для оценки степени влияния зернограничной диффузии на процесс окисления и сопутствующего изменения свойств, а также для постановки соответствующих экспериментов.

Еще

Диффузия, оксиды титана, границы зерен, тройной стык, моделирование

Короткий адрес: https://sciup.org/146282433

IDR: 146282433

Список литературы Двумерная модель зернограничной диффузии и окисления

Hydrogen Embrittlement Effects on Austenitic Stainless Steels with Ultrafine-Grained Structure of Different Morphology / E.G. Astafurova, E.V. Melnikov, S.V. Astafurov, I.V. Ratochka, I.P. Mishin, G.G. Maier, V.A. Moskvina, G.N. Zakharov, A.I. Smirnov, and V.A. Bataev // Physical mesomechanics. – 2019. – Vol. 22, № 4. – P. 313–326. doi 10.1134/S1029959919040076.
Микроструктура и механические свойства внутреннеокис-ленных ванадиевых сплавов. II. Механические свойства, особенности пластической деформации и разрушения / А.Н. Тюменцев, Ю.П. Пинжин, С.В. Овчинников, И.А. Дитенберг, Н.В. Шевченко, А.Д. Коротаев, Я.В. Шуба, М.М. Потапенко, В.М. Чернов // Перспективные материалы. – 2005. – № 5. – С. 19–30.
Шарифуллина Э.Р., Швейкин А.И., Трусов П.В. Обзор экспериментальных исследований структурной сверхпластичности: эволюция микроструктуры материалов и механизмы деформирования // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2018. – № 3. – С. 103–127.
Trusov P.V., Kondratyev N.S. Two-Level Elastoviscoplastic Model: An Application to the Analysis of Grain Structure Evolution under Static Recrystallization // Physical mesomechanics. – 2019. – Vol. 22, № 3. – P. 230–241. doi 10.1134/S1029959919030081.
Особенности окисления субмикрокристаллического титана при нагревании в воздухе / А.В. Коршунов, А.П. Ильин, А.И. Лотков, И.В. Раточка, Т.П. Морозова, О.Н. Лыкова // Известия Томского политехнического университета. – 2011. – Т. 319, № 3. – С. 10–16.
Кубашевский О., Гопкинс Б. Окисление металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1965. – 428 с.
Unnam J., Shenoy R., Clark R. Oxidation of commercial purity titanium // Oxidation of Metals. – 1986. – Vol. 26, № 3/4. – Р. 231–252.
Gemelli E., Camargo N. Oxidation kinetics of commercially pure titanium // Revista MatJria. – 2007. – Vol. 12, № 3. – P. 525–531.
Хауффе К. Реакции в твердых телах и на их поверхности. – М.: Издатинлит, 1963. – Ч. 2. – 276 с.
Реакционная способность субмикрокристаллического титана. I. Закономерности окисления при нагревании на воздухе / А.В. Коршунов, А.П. Ильин, А.И. Лотков, И.В. Раточка, Т.П. Морозова, О.Н. Лыкова // Перспективные материалы. – 2012. – № 4. – С. 5–12.
Закономерности формирования структуры С-слоя, образующегося при синтезе рутила в процессах высокотемпературного окисления массивных титановых преформ / С.В. Шевцов, А.П. Стецовский, К.А. Шашкеев, В.Ю. Зуфман, Н.А. Аладьев, Л.И. Щворнева, К.А. Солнцев // Перспективные материалы. – 2010. – № 1. – С. 5–9.
Овчинников И.Г., Кудайбергенов Н.Б., Дворкин М.С. Моделирование кинетики коррозии металлоконструкций с использованием банка математических моделей коррозии // Проблемы повышения надежности и долговечности конструкций зданий и сооружений: сб. науч. тр. Казахского химко-технологического института. – Шымкент, 1993. – С. 9–25.
Локощенко А.М. Влияние масштабного фактора на длительную прочность // Проблемы прочности. – 1995. – № 3. – С. 13–18.
Crank J. The Mathematics of Diffusion. – Oxford: Clarendon Press, 1975. – 414 p.
Lokoshchenko A.M. Creep and Creep Rupture of Metals. Boca Raton. London. – New York: CRC Press Taylor & Francis Group. 2018. – 546 p.
Lokoshchenko A.M., Kulagin D.A. Diffusion locking effect on long-term Strength // Moscow University Mechanics Bulletin. – 2014. – Vol. 69. № 5. – P. 123–125.
Вильчевская Е.Н., Фрейдин А.Б., Морозов Н.Ф. Кинетика фронта химической реакции в центрально-симметричных задачах механохимии // Доклады РАН. – 2015. – Т. 461, № 5. – С. 525–529.
Collected works of Eshelby J.D. Mechanics of Defects and Inhomogeneities (Solid Mechanics and its Applications) / eds. K. Markenscoff, A. Gupta. – Berlin. Springer. 2006. – 930 p.
Sedlak M., Alfredsson B., Efsing P. A coupled diffusion and cohesive zone model for intergranular stress corrosion cracking in 316L stainless steel exposed to cold work in primary water conditions // Engineering Fracture Mechanics. – 2019. – Vol. 217. – P. 106543.
Ogurtani T.O., Oren E.E. Irreversible thermodynamics of triple junctions during the intergranular void motion under the electromigration forces // International Journal of Solids and Structures. – 2005. – Vol. 42, iss. 13. – P. 3918–3952.
Atmospheric corrosion: A review focussed on modelling / H. Simillion, O. Dolgikh, H. Terryn, J. Deconinck // Corrosion Reviews. – 2014. – Vol. 32 (3–4). – P. 73–100.
Deconinck D., Van Damme S., Deconinck J. A temperature dependent multi-ion model for time accurate numerical simulation of the electrochemical machining process. Part I: Theoretical basis // Electrochimica Acta. – 2012. – Vol. 60. – P. 321–328.
Deconinck D., Van Damme S., Deconinck J. A temperature dependent multi-ion model for time accurate numerical simulation of the electrochemical machining process. Part II: Numerical simulation. // Electrochimica Acta. – 2012. – Vol. 69. – P. 120–127.
Malki B., Baroux B. Computer simulation of the corrosion pit growth // Corrosion Science. – 2005. – Vol. 47 (1). – P. 171–182.
Herzig C., Divinski S.V. Grain Boundary Diffusion in Metals: Recent Developments. Materials Transactions. – 2003. – Vol. 44, № 1. – P. 14–27.
Grain boundaries in ultrafine grained materials processed by severe plastic deformation and related phenomena / X. Sauvage,G. Wilde, S. Divinsky, Z. Horita, R.Z. Valiev // Materials Science and Engineering A. – 2012. – Vol. 540. – P. 1–12.
Fisher J.C. Calculation of Diffusion Penetration Curves for Surface and Grain Boundary Diffusion // Journal of Applied Physics. – 1951. – Vol. 22, iss. 1. – P. 74–77.
Kaur. I., Gust W. Fundamentals of Grain and Interphase Boundary Diffusion. – Stuttgart: Ziegler Press, 1989.
Nazarov A.A. Grain-boundary diffusion in nanocrystals with a time-dependent diffusion coefficient // Physics of the Solid State. – 2003. – Vol. 45, № 6. – P. 1166–1169.
Krasil'nikov V.V., Savotchenko S.E. Grain boundary diffusion patterns under nonequilibrium and migration of grain boundaries in nanoctructure materials // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. – 2009. – Vol. 73, № 9. – P. 1277–1283.
Gibbs G.B. Grain Boundary Impurity Diffusion // Physica status solidi (b). – 1966. – Vol. 16, № 1. – P. K27-K29.
Popov V.V. Model of grain-boundary diffusion with allowance for near-boundary layers of equilibrium composition // The Physics of Metals and Metallography. – 2006. – Vol. 102, № 5. – P. 453–461.
Aleshin A.N. Diffusion in an Ensemble of Intersecting Grain Boundaries Forming a Triple Junction // Russian metallurgy (Metally). – 2009. – Vol. 2009, № 5. – P. 394–399.
Zhang S. Size-dependent Diffusion Coefficient in Nanocrystalline Materials // Advanced Materials Research. – 2012. – Vol. 391–392. – P 418–421.
A numerical model coupling diffusion and grain growth in nanocrystalline materials / J. Zhao, G.-X. Wang, C. Ye, Y. Dong // Computational Materials Science. – 2017. – Vol. 136. – P. 243–252.
The Harrison diffusion kinetics regimes in solute grain boundary diffusion / I.V. Belova, T. Fiedler, N. Kulkarni, G.E. Murch // Philosophical Magazine. – 2012. – Vol. 92, № 14. – P. 1748–1763.
Миколайчук М.А., Князева А.Г. Модель диффузии примеси в структурно-неоднородной деформируемой среде // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2012. – № 5/2. – С. 74–80.
Изучение влияния механических напряжений на диффузию в пластине с покрытием / М.А. Миколайчук, А.Г. Кнзева, Г.П. Грабовецкая, И.П. Мишин // Вестник ПНИПУ. Механика. – 2012. – № 3. – С. 131–135.
Saha S., Motalab M. Nature of creep deformation in nanocrystalline Tungsten // Computational Materials Science. – 2018. – Vol. 149. – P. 360–372.
Lipnitskii A.G., Nelasov I.V., Kolobov Yu.R. Molecular dynamics study of grain boundary self-diffusion in hcp and bcc nanocrystalline titanium // Physical mesomechanics. – 2013. – Vol. 16, № 1. – P. 67–73.
Чепак-Гизбрехт М.В. Влияние тройных стыков и размера зерен на диффузию кислорода в поверхностный слой материала // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2021. – Т. 64, № 4 (761). – С. 50–55.
Chepak-Gizbrekht M.V., Knyazeva A.G. Grain-boundary diffusion modeling in a microstructural material // Computational Materials Science. – 2020. – Vol. 184. – P. 109896.
Knyazeva A.G. The theory of reactive diffusion for the description of oxide phase growth in a coating // AIP Conference Proceedings. – 2015. – Vol. 1683. – P. 020084.
Demidov V.N., Knyazeva A.G. Multistage kinetics of the synthesis of Ti–TxCy composite // Nanoscience and Technology: An International Journal. – 2019. – Vol. 10, Iss. 3. – P. 195–218.
Севидова Е.К., Симонова А.А. Особенности коррозионно-электрохимического поведения титана с нано- и субмикрокристаллической структурой // Электронная обработка материалов. – 2011. – Т. 47, № 2. – С. 70–75.
Landolt-Bornstein Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology. New Series. Group III: Crystal and Solid State Physics. Vol. 26 Diffusion in Solid Metals and Alloys / editor H. Mehrer; editor in Chief: O. Madelung. – Berlin Heidelberg Springer-Verlag, 1990.
Роль диффузионно-контролируемых процессов в формировании структуры и свойств металлических наноматериалов / Ю.Р. Колобов, А.Г. Липницкий, М.Б. Иванов, Е.В. Голосов // Композиты и наноструктуры. – 2009. – № 2. – С. 5–24.
Даниэльс Ф., Олберти Р. Физическая химия. – М.: Мир, 1978. – 648 с.
Binnewies M., Milke E. Thermochemical Data of Elements and Compounds. – Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH, 2002.
Термодинамические свойства неорганических веществ: справочник / У.Д. Верятин, В.П. Маширев, Н.Г. Рябцев, В.И. Тарасов, Б.Д. Рогозин, И.В. Коробов. – М.: Атомиздат, 1965. – 461 с.

Еще

Статья научная