Modeling of grain-boundary diffusion under nonstationary heating conditions

M.V. Chepak-Gizbrekht, A.G. Knyazeva
2019 Computational Continuum Mechanics  
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
more » ... 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. Стыкиобласти, 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. Ключевые слова: диффузия, зернограничная диффузия, неизотермические условия, численное решение, распределение концентраций Grain boundary diffusion appreciably affects the physicomechanical and chemical properties of constructional materials. Experimental studies show that transfer processes run more intensively in materials with a larger area of internal boundaries. For these materials, the temperature required for diffusion activation is reduced. Much attention is paid to grain-boundary diffusion in such areas as materials science, physics and chemistry of metals, and metal science. However, there are practically no published works where the diffusion along the grain boundaries and phases under non-isothermal conditions has been studied. This work presents a two-dimensional model of alloying element redistribution from the amorphous coating into the substrate. The substrate is represented by alternating grains with a clear selection of the triple junction. The areas adjacent to the grain boundaries are clearly selected in the model and have a finite thickness. Different ratios between the grain sizes and the boundaries widths relate to diffusion in micro-and nanocrystalline materials. The redistribution of the alloying element is initiated by one or several thermal pulses associated with the action of the electron beam. It is taken into account when the heat part of the problem has been formulated that the typical scales of the heat and diffusion processes are essentially different. The diffusion problem takes into account the temperature dependence of the diffusion coefficients in the volume of grains and along the boundaries between them. The problem was solved numerically. Varying the parameters of the model, it was found by that the ratio of activation energies in the phases has the greatest influence on the diffusant distribution. Pulsed treatment compared to treatment with constant heating results in slower leads to a slow down of diffusion along the grain boundaries. The simulation results are qualitatively consistent with the data found in the literature.
doi:10.7242/1999-6691/2019.12.1.6 fatcat:myoinbjtbfbizelxak24yhcwom