Бул изилдөө болоттун чындалуусуна өтө төмөн концентрацияларда да таасир бере алган бор атомдору темирдин ичинде кандай ылдамдыкта жыларын эксперименттик жол менен изилдеген. Изилдөөчүлөр ири бүртүктүү α-Fe жана бет борборлуу куб γ-FeNi үлгүлөрүндө көлөмдүк диффузияны; нанокристаллдык Fe жана FeNi пленкаларында болсо бүртүк чек ара диффузиясын экинчилик иондук масс-спектрометрия менен өлчөнгөн узак аралыктагы бордун тереңдик профилдеринен эсептешкен. α-Feде 550–700 °C үчүн көлөмдүк диффузия коэффициенттери болжол менен 10−21–10−16 m²/s, γ-FeNiде 400–550 °C үчүн болжол менен 10−22–10−17 m²/s аралыгында табылган. Бул маанилер бор көмүртек сыяктуу тез интерстициалдык атом катары кыймылдайт деп көрсөткөн эски эксперименттердин маанилеринен кыйла төмөн. Өлчөнгөн активдешүү энергиялары, өзгөчө α-Feде, жөнөкөй интерстициалдык кыймылга караганда вакансия менен байланышкан же диссоциативдик механизмди көрсөтөт. Ошол эле учурда γ фазасы боюнча эксперименттер таза γ-Feнин ордуна пайыз 50 атомдук Ni камтыган FeNi эритмесинде жүргүзүлгөн жана атомдордун кристалл ичиндеги чыныгы орундарын түздөн-түз байкоо жүргүзүлгөн эмес.
Нанокристаллдык үлгүлөрдө 200–350 °C аралыгында өлчөнгөн бүртүк чек ара диффузия коэффициенттери болжол менен 5,6 × 10−23 менен 7,2 × 10−20 m²/s аралыгында. Бүртүк чек ара аркылуу ташылуу ошол эле температуралардагы көлөмдүк диффузиядан тез болсо да, бордун бүртүк чек арасындагы кыймылы темир же никель атомдору үчүн билдирилген бүртүк чек ара өздүк диффузиясына салыштырмалуу жай бойдон калган. Изилдөөчүлөр муну бор атомдору бүртүк чек араларында белгилүү жергиликтүү Fe-B түзүлүштөрүн артык көрүшү жана жеткиликтүү атомдук конфигурациялардын саны чектелүү болушу менен түшүндүрүшөт. Бул чечмелөө эксперименттик профиль натыйжаларына шайкеш; бирок бүртүк чек арасынын атомдук түзүлүшү түздөн-түз сүрөткө алынган эмес.
Түркия үчүн баалоо: Жыйынтыктар бор кошулган автомобиль болоттору, аспаптык жана конструкциялык болоттор, соот колдонмолору, жылуулук иштетүү, ширетүүдөн кийинки микротүзүлүштү башкаруу жана жогорку бекемдиктеги болотторду өнүктүрүүдө колдонулган диффузия моделдерин жаңылоо жагынан Түркия үчүн маанилүү. Түркияда колдонуу үчүн натыйжалар чыныгы өнөр жай болотторунда; көмүртек, марганец, хром, молибден, титан, азот жана башка легирлөөчү элементтер катышкан шартта кайра текшерилиши керек. Күйдүрүү температурасы, муздоо ылдамдыгы, аустенит бүртүгүнүн өлчөмү, бор нитриди жана борокарбид чөкмөлөрү менен бүртүк чек арасынын мүнөзү да бирге бааланууга тийиш. Изилдөө Түркияда өндүрүлгөн белгилүү болот маркасын, өнөр жай мешинин циклин же механикалык бекемдик жыйынтыгын изилдебегендиктен, конкреттүү жергиликтүү болоттун чындалуусу жөнүндө түз жыйынтык бербейт.
Бор болоттун чындалуусуна эмне үчүн таасир берет?
Бор болотко болгону ондогон атомдук ppm деңгээлинде кошулганда да чындалууну жогорулата алган легирлөөчү элемент. Аустенит деп аталган γ фазасынын бүртүк чек араларына сегрегацияланган бор бул чек араларды туруктуу кылып, муздоо учурунда феррит менен цементиттин ядролонушун кечеңдете алат. Мунун натыйжасында аустениттин мартенситке айлануу ыктымалдыгы жогорулайт.
Бирок бордун өлчөмү ашыкча болсо же бор азот жана көмүртек менен кошулма түзсө, пайдалуу таасир азайышы мүмкүн. Fe23(C,B)6 жана бор нитриди сыяктуу чөкмөлөр феррит же цементит үчүн жаңы ядролонуу аймактарын түзө алат. Ошондуктан жалпы бор өлчөмү гана эмес, жылуулук иштетүү учурунда бордун:
- Кристаллдык тор ичинде кандай ылдамдыкта кыймылдашы,
- Бүртүк чек араларына канча убакытта жетиши,
- Кайсы атомдук орундарды артык көрүшү,
- Чөкмөлөргө байланып калабы же жокпу
болоттун акыркы микротүзүлүшүн аныктай алат.
Изилдөө кайсы негизги маселени чечүүгө аракет кылган?
Мурунку эксперименттик иштер α-темирдеги бор диффузиясы көмүртек диффузиясына жакын же андан да тез болушу мүмкүн экенин билдирген. Бул жыйынтыктар бор тор аралык боштуктарда тез кыймылдаган интерстициалдык механизм менен түшүндүрүлгөн. Бирок жарыяланган диффузия коэффициенттери жана активдешүү энергиялары бири-биринен чоң айырмаланат.
Кийинки биринчи принциптерге негизделген эсептөөлөр бор α-темирде октаэдрдик интерстициалдык орундарда гана эмес, темир атомунун ордун баскан субституциялык орундарда да туруктуу болушу мүмкүн экенин көрсөткөн. γ-темир боюнча айрым эсептөөлөр субституциялык орун көбүрөөк артыкчылыкка ээ экенин сунуштаган. Бул бор үчүн бир нече мүмкүн болгон ташылуу жолун жаратат:
- Интерстициалдык орундардын ортосунда секирүү,
- Вакансиянын жардамы менен субституциялык орундардын ортосунда кыймыл,
- Субституциялык жана интерстициалдык абалдар чогуу колдонулган диссоциативдик механизм,
- Эки вакансия катышкан татаалыраак механизмдер.
Изилдөөчүлөр эки негизги суроого жооп издешкен:
- Бордун α-Fe жана γ-FeNi ичиндеги көлөмдүк диффузия коэффициенти кандай?
- Бордун нанокристаллдык Fe жана FeNi бүртүк чек араларындагы диффузия коэффициенти кандай?
Эмне үчүн узак аралыктагы SIMS профилдештирүү колдонулган?
Бордун темирде эригичтиги өтө төмөн жана тиешелүү концентрациялар көбүнчө ppm деңгээлинде болот. Экинчилик иондук масс-спектрометрия мындай төмөн концентрацияларды беттен тереңдикке карай өлчөөгө мүмкүндүк берет.
Изилдөөдө күйдүрүүгө чейин жана андан кийин бордун тыгыздыгы тереңдикке жараша өлчөнүп, бор баштапкы ордунан канчалык алыстаганы аныкталган. Бул ыкма кыска аралыктагы атом кыймылынан алынган релаксация сигналынын ордуна түздөн-түз узак аралыктагы концентрация бөлүштүрүлүшүн берет.
Ири бүртүктүү α-Fe үлгүлөрү кантип даярдалган?
Баштапкы материал катары %99,995 тазалыктагы темир колдонулган. Темир жаа менен эритилип топчу сымал куймага айландырылган, муздак прокат менен 1 mm калыңдыкка чейин жукартылып, 10 × 50 mm² пластиналар даярдалган.
Муздак прокат жараткан чыңалууларды азайтуу үчүн пластиналар болжол менен 1 × 10−3 Pa басымда 850 °Cде үч саат күйдүрүлгөн. Андан кийин болжол менен %5 бир тектүү созуу деформациясы берилип, үлгү борбору 850 °Cде кармалган температура градиенттүү меште саатына 10,8 mm ылдамдык менен жылдырылган. Аномалдуу бүртүк өсүүсүн пайдаланган бул процесс соңунда башында болжол менен 100 µm болгон бүртүктөр 1–3 mm өлчөмүнө жеткен.
Мындай чоң бүртүк өлчөмү SIMS анализ аймагын бүртүк борборуна жайгаштырууну жана көлөмдүк диффузия өлчөөсүн бүртүк чек ара ташылуусунан бөлүүнү жеңилдеткен.
γ фазасы эмне үчүн FeNi эритмеси менен берилген?
Таза темирдин γ фазасы төмөн температураларда туруктуу эмес. Изилдөөчүлөр бет борборлуу куб түзүлүштү сактоо үчүн болжол менен 50 атомдук пайыз никель камтыган эвтектоиддик курамдагы FeNi эритмесин даярдашкан.
FeNi куймалары жаа менен эритилип, 1 mm калыңдыкка чейин муздак прокатталган жана гомогенизация менен бүртүк өстүрүү үчүн аргон агымында 1200 °Cде үч саат күйдүрүлгөн. Алынган бүртүк өлчөмү болжол менен 100–400 µm болгон.
Бул эксперименттик схема γ түзүлүшүндөгү бор ташылуусу боюнча маанилүү маалымат берсе да, никель:
- Вакансия пайда болуу энергиясын,
- Бордун эригичтик абалын,
- Кристаллдык тор параметрин,
- Диффузия активдешүү энергиясын
өзгөртө аларын эске алуу керек. Ошондуктан γ-FeNi натыйжалары таза γ-Fe үчүн түздөн-түз эквивалент маалымат эмес.
Бор булагы жана коргоочу катмар кантип даярдалган?
Ири бүртүктүү Fe жана FeNi пластиналарынын бир бети күзгүдөй жалтыракка чейин жылмаланган. Бул бетке электрон шооласы менен буулантуу ыкмасы аркылуу болжол менен 20–30 nm бор жана анын үстүнө болжол менен ошол эле калыңдыктагы Al2O3 катмары капталган.
Алюмина катмарынын максаты бор булагын бетте коргоо жана күйдүрүү учурунда керексиз жоготууларды чектөө болгон. Каптоо учурунда:
- Негизги басым болжол менен 2 × 10−5 Pa,
- Электрон тездетүүчү чыңалуу 4 kV,
- Эмиссия тогу 1–2 mA,
- Каптоо ылдамдыгы 0,02–0,03 nm/s,
- Үлгү кармагычтын температурасы суу менен муздатылып 20 °C
деңгээлинде кармалган.
Al2O3/B/Fe жана Al2O3/B/FeNi үлгүлөрү 400–700 °C аралыгында, 1–220 саат бою жана 1 × 10−3 Paдан төмөн басымда диффузиялык күйдүрүүгө алынган.
Нанокристаллдык үлгүлөр кантип өндүрүлгөн?
Бүртүк чек ара диффузиясын өлчөө үчүн бүртүк чек ара аянты чоң болушу керек. Ошондуктан Fe, Fe-B, FeNi жана FeNi-B эритмелеринен чачыратуу буталары даярдалган. Бор камтыган буталарда бордун өлчөмү болжол менен 17 атомдук пайыз болуп тандалган.
Бир кристаллдуу кремний негизинин үстүнө магнетрондук чачыратуу менен катмарлар ырааттуу түзүлгөн:
- Болжол менен 100 nm Fe-B же FeNi-B бор булагы катмары,
- Бул булактын үстүндө болжол менен 500 nm Fe же FeNi диффузия катмары,
- Төмөндө бир кристаллдуу Si негизи.
Чачыратуу процесси болжол менен 10−7 Pa негизги басымда, 50 W радио жыштык кубатында жана 0,8 Pa аргон астында жүргүзүлгөн. Үлгүлөр 200–350 °C аралыгында 0,5–300 саат күйдүрүлгөн.
Изилдөөдө Fe-B катмарын алдын ала даярдалган Fe үстүнө түшүрүү каптоо стадиясынын өзүндө эле борду 1 µmден тереңирээк алып кирери белгиленген. Ошондуктан бор камтыган булак катмары биринчи, таза Fe же FeNi катмары кийин түшүрүлгөн.
Нанокристаллдык түзүлүш кантип текшерилген?
6-сүрөттөгү X-нур дифракция үлгүлөрүндө Fe пленкасы үчүн көлөм борборлуу куб, FeNi пленкасы үчүн бет борборлуу куб негизги чагылуулар көрүнгөн. Болжол менен 56,5° жана 58,3° аймагындагы алсыз сигналдар кремний негизине таандык деп чечмеленген.
7-сүрөттөгү кайра чачыраган электрон сүрөттөрү чачыратылган Fe жана FeNi катмарларында болжол менен 100–300 nm өлчөмүндөгү нанометрдик бүртүктөрдү көрсөтөт. Жыйынтык бөлүмүндө жалпы бүртүк өлчөмү 100–500 nm аралыгы деп берилген.
Сүрөттөрдө айрым нанобүртүктөрдөн тышкары жүздөгөн нанометр туурасындагы бүртүк кластерлери да байкалат. Изилдөөчүлөр мунун негизинде интерфейстин эки башка классын сунушташкан:
- Кластер ичиндеги кадимки нанокристаллдык бүртүк чек аралары,
- Нанобүртүк кластерлерин курчаган эркин көлөмү жогору интерфейстер.
SIMS өлчөөсү кантип жүргүзүлгөн?
Тереңдик профилдери учуу убактысы боюнча экинчилик иондук масс-спектрометрия менен өлчөнгөн. Анализ учурунда:
| Өлчөө компоненти | Колдонулган маани |
|---|---|
| Баштапкы анализ иону | 30 keV висмут |
| Анализ аянты | 100 × 100 µm² |
| Баштапкы шоола тогу | Болжол менен 5 pA |
| Чегүү иону | 2 keV кычкылтек |
| Чегүү аянты | 300 × 300 µm² |
| Чегүү шооласынын тогу | Болжол менен 500–600 nA |
| Анализ камерасындагы O2 басымы | 1,0 × 10−3 Pa |
| Чегүү ылдамдыгы | Болжол менен 1,9–2,0 nm/s |
Кычкылтек чөйрөсү аз өлчөмдөгү бор атомдорун оң оксид иондору түрүндө натыйжалуураак аныктоо үчүн колдонулган. Кратердин тереңдиги профилометр менен өлчөнүп, чегүү убактысы чыныгы тереңдикке айландырылган.
SIMS интенсивдүүлүгүн бор концентрациясына айландыруу үчүн 5, 16, 26, 88 жана 383 атомдук ppm менен 17 атомдук пайыз бор камтыган стандарт үлгүлөр колдонулган.
Диффузия коэффициенти кантип эсептелген?
Бир өлчөмдүү концентрация өзгөрүшү төмөнкү диффузия теңдемеси менен берилген:
\[ \frac{\partial c(z,t)}{\partial t} = \frac{\partial}{\partial z} \left[ D(c)\frac{\partial c(z,t)}{\partial z} \right]. \]
Бул жерде:
- \(c(z,t)\), белгилүү тереңдик жана убакыттагы бор концентрациясы,
- \(z\), беттен тартып тереңдик,
- \(t\), күйдүрүү убактысы,
- \(D(c)\), концентрацияга көз каранды болушу мүмкүн болгон диффузия коэффициенти.
Теңдеме чектүү айырмалар ыкмасы менен чечилген. Күйдүрүлбөгөн үлгүдөгү чыныгы бор бөлүштүрүлүшү баштапкы шарт катары пайдаланылып, бор/темир интерфейсиндеги концентрация ар бир эксперименттик профиль үчүн чектик шарт катары аныкталган.
Бул ыкма классикалык ката функциясынын чечимине окшош; бирок каптоо маалында үлгүгө алдын ала кирген бор өлчөмүн баштапкы профильге камтыганы менен толугураак.
1-сүрөт бор күйдүрүү менен илгерилегенин кантип көрсөтөт?
1-сүрөттө күйдүрүлбөгөн үлгүлөрдө бор сигналы B/Fe же B/FeNi интерфейсинде кескин төмөндөйт. Интерфейстин төмөн жагында каптоо учурунда алдын ала кирген аз гана бор бар.
Күйдүрүүдөн кийин бор сигналы жүздөгөн нанометр тереңдикке чейин созулганы көрүнөт:
- α-Fe мисалы 550 °Cде 220 саат,
- FeNi мисалы 500 °Cде эки саат
күйдүрүлгөн. Fe жана Ni сигналдарынын болжол менен туруктуу болушу өлчөнгөн өзгөрүү матрица курамынан эмес, бордун тереңдикке таралышынан болгонун көрсөтөт.
Эмне үчүн бир эле диффузия коэффициенти жетишсиз болгон?
α-Fe 700 °Cде бир саат күйдүрүлгөн мисалда эксперименттик профиль туруктуу \(D=1{,}7\times10^{-16}\) m²/s колдонулганда жакшы кайра өндүрүлгөн.
550 °Cде 220 саат күйдүрүлгөн α-Fe үлгүсүндө болсо бир коэффициент интерфейске жакын бөлүктү гана түшүндүргөн. Болжол менен 200 nmден кийин эксперименттик бор концентрациясы эсептелгенден жайыраак азайып, узун профиль куйругун пайда кылган.
Ошондуктан изилдөөчүлөр эки аймактуу ыкманы колдонушкан:
- Жогорку бор концентрациясында жай жол: болжол менен \(3{,}6\times10^{-21}\) m²/s,
- Төмөн концентрациядагы профиль куйругунда тез жол: болжол менен \(1{,}5\times10^{-19}\) m²/s.
2(c)-сүрөт эки коэффициенттүү модель эксперименттик профилди бир коэффициенттүү моделге караганда жакшыраак берерин көрсөтөт. Ушундай эки баскычтуу жүрүм-турум 675 °Cден төмөн башка α-Fe эксперименттеринде жана γ-FeNi профилдеринде да байкалган.
Анализ аймактары ири бүртүктөрдүн борборунан тандалып, диффузия аралыктары 100 µmден чоң бүртүк өлчөмдөрүнөн кыйла кыска болгон. Ошондуктан тез профиль куйругу бүртүк чек ара диффузиясына эмес, экинчи көлөмдүк диффузия жолуна таандык деп эсептелген.
α-Feдеги көлөмдүк диффузия коэффициенттери
| Температура | Убакыт | Жай жол DV1 | Тез жол DV2 |
|---|---|---|---|
| 550 °C | 220 саат | 4,0 × 10−21 m²/s | 1,5 × 10−19 m²/s |
| 600 °C | 2 саат | 6,0 × 10−20 m²/s | 4,0 × 10−18 m²/s |
| 600 °C | 22 саат | 5,0 × 10−20 m²/s | 4,4 × 10−18 m²/s |
| 650 °C | 2 саат | 1,0 × 10−18 m²/s | 3,6 × 10−17 m²/s |
| 675 °C | 1 саат | 3,4 × 10−18 m²/s | 8,0 × 10−17 m²/s |
| 700 °C | 1 саат | 1,7 × 10−16 m²/s; эки өзүнчө жол чечилген эмес | |
α-Fe үчүн Arrhenius байланыштары эки жүрүм-турум берген:
| Жол | Алдынкы экспоненциалдык коэффициент D0 | Активдешүү энергиясы |
|---|---|---|
| Жай көлөмдүк диффузия | 1,2 × 102 m²/s | 3,68 ± 0,14 eV |
| Тез көлөмдүк диффузия | 6,3 m²/s | 3,17 ± 0,21 eV |
Тез жолдун коэффициенти жай жолдон болжол менен бир-эки тартип чоң. Активдешүү энергиясы төмөн тез жол температура өскөн сайын таасирдүү болоору күтүлөт.
α-Fe натыйжасы эмне үчүн мурунку маалыматтардан айырмаланат?
Мурунку бор диффузиясы маалыматтары көбүнчө борду үлгүдөн сыртка чыгаруучу деборлоо эксперименттерине же төмөн температурадагы кыска аралык релаксация өлчөөлөрүнө негизделген. Ал маалыматтар бор диффузиясын көмүртек диффузиясына жакын көрсөткөн.
Жаңы SIMS натыйжалары болсо:
- Көмүртек диффузиясынын экстраполяцияланган маанилеринен кыйла төмөн,
- Темирдин өздүк диффузиясына жакыныраак,
- Эски узак аралыктагы бор маалыматтарынан бир нече тартип төмөн
болуп чыккан.
Бул айырма эски үлгүлөрдөгү легирлөөчү элементтерден, үлгү сапатынан, бордун төмөн эригичтигин талдоодон, беттик реакциялардан же деборлоо ыкмасынын божомолдорунан келип чыгышы мүмкүн. Изилдөө эски маалыматтардын кайсынысы эмне үчүн туура эмес экенин өз-өзүнчө далилдебейт, болгону жаңы узак аралык профилдер кыйла төмөн коэффициенттерди берерин көрсөтөт.
α-Feде кайсы атомдук механизм сунушталган?
Бор атому октаэдрдик интерстициалдык орундардын ортосунда гана кыймылдайт деп эсептелгенде активдешүү энергиясы болжол менен 0,65–1,26 eV аралыгында. Эксперименттен алынган 3,17 жана 3,68 eV маанилери бул аралыктан кыйла жогору. Ошондуктан жөнөкөй интерстициалдык механизм үстөм болушу күмөн деп эсептелген.
Теориялык иштерде билдирилген айрым энергиялар:
| Сунушталган механизм | Эсептелген активдешүү энергиясы |
|---|---|
| Интерстициалдык секирүү | 0,65–1,26 eV |
| Бир вакансия механизми | 2,26–2,98 eV |
| Диссоциативдик механизм | 3,07 eV |
| Эки вакансия механизми | 4,81 eV |
Өлчөнгөн маанилер өзгөчө болжол менен 3,07 eV деп эсептелген диссоциативдик механизмге жакын. Бул механизмде бор субституциялык жана интерстициалдык абалдардын ортосунда өтүп кыймылдай алат. Изилдөөчүлөр төмөн температурада энергиясы жогору, ал эми жогорку температурада көбөйгөн вакансия концентрациясын пайдаланган энергиясы төмөн экинчи механизм таасирдүү болушу мүмкүн деп сунушташат.
Бул жыйынтык атомдук механизмдин так далили эмес. Бордун тор ичиндеги орду эксперимент учурунда түздөн-түз өлчөнгөн эмес.
γ-FeNiдеги көлөмдүк диффузия коэффициенттери
| Температура | Убакыт | DV1 | DV2 |
|---|---|---|---|
| 400 °C | 84 саат | 8,5 × 10−22 m²/s | 5,0 × 10−21 m²/s |
| 450 °C | 16 саат | 1,4 × 10−20 m²/s | 7,0 × 10−20 m²/s |
| 500 °C | 1 саат | 7,8 × 10−19 m²/s | 2,7 × 10−18 m²/s |
| 500 °C | 2 саат | 6,0 × 10−19 m²/s | 2,2 × 10−18 m²/s |
| 550 °C | 1 саат | 1,0 × 10−18 m²/s | 2,0 × 10−17 m²/s |
γ-FeNi үчүн эсептелген Arrhenius параметрлери:
| Жол | D0 | Активдешүү энергиясы |
|---|---|---|
| Жай көлөмдүк диффузия | 6,8 × 10−3 m²/s | 2,51 ± 0,30 eV |
| Тез көлөмдүк диффузия | 1,4 m²/s | 2,74 ± 0,13 eV |
Тез коэффициенттер жай коэффициенттерден болжол менен 4–20 эсе чоң. Бордун γ-FeNiдеги кыймылдуулугу каралган температура аралыгында α-Feге салыштырмалуу жогору.
γ-FeNi үчүн механизмдин чечмелениши
γ-FeNiде өлчөнгөн бор диффузиясы темирдин өздүк диффузиясы менен көмүртектин тез интерстициалдык диффузиясынын ортосунда жатат. Активдешүү энергиялары да темир үчүн билдирилген болжол менен 3,13 eV менен көмүртек үчүн болжол менен 1,53 eV ортосунда.
γ-Fe үчүн эсептелген болжол менен 2,01 eV вакансия механизми эксперименттик 2,51–2,74 eV аралыгына жөнөкөй интерстициалдык механизмден жакыныраак. Ошондуктан изилдөөчүлөр γ түзүлүшүндө вакансия аркылуу кыймылды кабыл алууга боло турган түшүндүрмө катары баалашкан.
Бирок эксперименттик эритме никелди көп камтыгандыктан, бул дал келүү таза γ-темирде механизм так ошондой экенин далилдебейт.
Бүртүк чек ара диффузиясы көлөмдүк диффузиядан кантип бөлүнгөн?
Harrison классификациясы поликристаллдык материалдардагы узак аралыктагы диффузия профилдерин A, B жана C режимдерине бөлөт. C тибиндеги режимде көлөмдүк диффузия аралыгы бүртүк чек арасынын калыңдыгынан кичине болуп, өлчөнгөн профиль негизинен бүртүк чек арасы боюнча ташылууну көрсөтөт.
Изилдөөдө бүртүк чек арасынын калыңдыгы болжол менен 0,5 nm деп алынган. Колдонулган 200–350 °C күйдүрүү шарттарында бордун көлөмдүк диффузия аралыгы ушул мааниден төмөн калган. Ошондуктан нанокристаллдык пленкаларда өлчөнгөн жылыш нормалдуу кристалл тору аркылуу эмес, бүртүк чек аралары аркылуу жүргөн ташылуу катары бааланган.
Нанокристаллдык профилдер эмнени көрсөткөн?
8-сүрөттө күйдүрүлбөгөн Fe/Fe-B/Si жана FeNi/FeNi-B/Si үлгүлөрүндөгү бор бөлүштүрүлүшү булак катмары менен үстүңкү металл катмарынын ортосунда болжол менен тепкич сымал. 250 °Cде 40 саат күйдүрүүдөн кийин бор сигналы Fe жана FeNi катмарларынын ичине карай тараган.
9-сүрөттө 200–350 °C аралыгындагы күйдүрүүлөрдө бор концентрациясы күйдүрүлбөгөн үлгүнүн фон деңгээлинен жогору чыгат. Профилдер эки өзгөчөлүккө ээ:
- Булак интерфейсине жакын айкын кадимки бүртүк чек ара диффузия аймагы,
- Алысыраак аймакта ылдый жантайышы аз же дээрлик горизонталдуу тез ташылуу куйругу.
Экинчи аймак нанобүртүк кластерлерин курчаган эркин көлөмү жогору интерфейстерге таандык деп эсептелген. Бирок пленканын калыңдыгы жана сигнал деңгээли бул тез жолдун коэффициентин ишенимдүү аныктоого жетиштүү болгон эмес.
Өлчөнгөн бүртүк чек ара диффузия коэффициенттери
| Фаза жана үлгү | Температура | Убакыт | DGB |
|---|---|---|---|
| Нанокристаллдык α-Fe | 200 °C | 300 саат | 6,6 × 10−23 m²/s |
| Нанокристаллдык α-Fe | 250 °C | 40 саат | 6,0 × 10−22 m²/s |
| Нанокристаллдык α-Fe | 300 °C | 2 саат | 2,4 × 10−20 m²/s |
| Нанокристаллдык α-Fe | 350 °C | 1 саат | 4,8 × 10−20 m²/s |
| Нанокристаллдык γ-FeNi | 200 °C | 200–300 саат | 5,6 × 10−23 m²/s |
| Нанокристаллдык γ-FeNi | 250 °C | 40 саат | 8,2 × 10−22 m²/s |
| Нанокристаллдык γ-FeNi | 300 °C | 4 саат | 1,1 × 10−20 m²/s |
| Нанокристаллдык γ-FeNi | 350 °C | 0,5 саат | 7,2 × 10−20 m²/s |
Arrhenius параметрлери:
| Үлгү | D0 | Активдешүү энергиясы |
|---|---|---|
| Нанокристаллдык α-Fe | 3,4 × 10−10 m²/s | 1,20 ± 0,17 eV |
| Нанокристаллдык γ-FeNi | 5,7 × 10−10 m²/s | 1,22 ± 0,02 eV |
Бүртүк чек ара диффузиясы тезби же жайбы?
Бирдей төмөн температураларда салыштырганда бүртүк чек ара диффузиясы көлөмдүк диффузиядан тез:
- Нанокристаллдык α-Feде DGB, экстраполяцияланган көлөмдүк диффузия маанилеринен кеминде болжол менен жети тартип чоң.
- Нанокристаллдык γ-FeNiде айырма кеминде болжол менен төрт тартип.
Бирок бүртүк чек аранын ичинде ар башка атомдор салыштырылганда бор салыштырмалуу жай кыймылдайт. Бордун алдынкы экспоненциалдык коэффициенти болжол менен 10−10 m²/s болсо, темир жана никель үчүн билдирилген маанилер көбүнчө 10−3–10−4 m²/s деңгээлинде.
Ошондуктан эки билдирүү тең бир убакта туура:
- Бор бүртүк чек арасында кристалл көлөмүнө караганда тезирээк жылат.
- Бордун бүртүк чек ара аркылуу ташылуусу бүртүк чек арасындагы темир же никелдин өздүк диффузиясына салыштырмалуу чектелүү болушу мүмкүн.
Эмне үчүн алдынкы экспоненциалдык коэффициент төмөн чыккан?
Алдынкы экспоненциалдык коэффициент төмөнкү жалпы туюнтма менен байланышкан:
\[ D_0=gfd^2\nu_0 \exp\left(\frac{\Delta S}{k_B}\right). \]
Бул жерде \(g\) геометриялык фактор, \(f\) корреляция фактору, \(d\) секирүү аралыгы, \(\nu_0\) секирүү жыштыгы, \(\Delta S\) активдешүү энтропиясы жана \(k_B\) Boltzmann туруктуусу.
Изилдөөчүлөр геометриялык жана термелүү факторлору ар башка эриген атомдордун ортосунда жети тартип айырма жаратышы кыйын деп баалашкан. Ошондуктан төмөн \(D_0\) маанисинин негизги себеби катары энтропия мүчөсү сунушталган.
Бул чечмелөөгө ылайык, бор темирдин бүртүк чек арасында туш келди көп конфигурацияларга кирүүнүн ордуна белгилүү Fe-B полиэдрдик жергиликтүү түзүлүштөрдү артык көрөт. Жеткиликтүү атомдук түзүлүштөрдүн саны азайса, конфигурациялык энтропия жана демек алдынкы экспоненциалдык коэффициент төмөндөшү мүмкүн.
Бул түшүндүрмө булакта сунушталган физикалык чечмелөө; бүртүк чек арасындагы Fe-B полиэдрлери түздөн-түз сүрөткө алынган эмес.
Жогорку температурадагы эксперименттердин чеги
Изилдөөчүлөр жогорку температураларда да профиль өлчөөгө аракет кылышкан. Бирок вакуумда бордун байкаларлык бууланышы же каптоо интерфейсинде реакция болушу ишенимдүү профиль алууга тоскоол болгон.
Бул жагдай жогорку температурадагы коэффициенттерди кеңейтүүнү жана эки көлөмдүк диффузия механизминин ортосундагы өтүүнү түздөн-түз байкоону чектеген.
Сүрөттөр биргелешип көрсөткөн жыйынтык
| Сүрөт | Көрсөтүлгөн мазмун | Илимий кызматы |
|---|---|---|
| 1-сүрөт | Al2O3/B/Fe жана Al2O3/B/FeNi SIMS ион интенсивдүүлүк профилдери | Күйдүрүүдөн кийин бор металлдын ичине жылганын көрсөтүү |
| 2-сүрөт | α-Fe эксперименттик жана эсептелген концентрация профилдери | Бир жана эки коэффициенттүү көлөмдүк диффузия моделдерин салыштыруу |
| 3-сүрөт | γ-FeNi эксперименттик жана эсептелген профилдери | Эки көлөмдүк диффузия жолу профиль дал келүүсүн жакшыртарын көрсөтүү |
| 4-сүрөт | Көлөмдүк диффузия Arrhenius графиги | DV1, DV2 жана Fe өздүк диффузиясын салыштыруу |
| 5-сүрөт | Жаңы бор маалыматтарын эски бор, Fe жана C маалыматтары менен салыштыруу | Жаңы коэффициенттер эски тез бор маалыматтарынан айырмаланарын көрсөтүү |
| 6-сүрөт | Нанокристаллдык Fe жана FeNi XRD үлгүлөрү | Көлөм борборлуу жана бет борборлуу куб фазаларды текшерүү |
| 7-сүрөт | Кайра чачыраган электрон сүрөттөрү жана эки масштабдуу чек ара модели | Нанобүртүк жана бүртүк кластер интерфейстерин көрсөтүү |
| 8-сүрөт | Нанокристаллдык катмарлардын SIMS ион профилдери | Күйдүрүүдөн кийин бүртүк чек арасы боюнча бордун жылышын көрсөтүү |
| 9-сүрөт | 200–350 °C концентрация профилдери | Температура менен өскөн жылышты жана тез профиль куйругун көрсөтүү |
| 10-сүрөт | 250 °C, 40 саат эксперименттик жана эсептелген профилдер | Туруктуу DGB модели интерфейске жакын профилди берерин көрсөтүү |
| 11-сүрөт | Бүртүк чек ара диффузиясынын Arrhenius графиктери | B, Fe жана Ni бүртүк чек ара ташылуусун салыштыруу |
Изилдөөнүн күчтүү жактары
- Бордун ppm деңгээлиндеги узак аралык бөлүштүрүлүшү түздөн-түз SIMS менен өлчөнгөн.
- Күйдүрүлбөгөн үлгүнүн чыныгы бор профили баштапкы шарт катары колдонулган.
- SIMS интенсивдүүлүгү бир нече стандарт үлгү менен концентрацияга айландырылган.
- Ири бүртүктүү үлгүлөрдө өлчөө аймагы бүртүк борборунан тандалып, бүртүк чек ара таасири азайтылган.
- Көлөмдүк жана бүртүк чек ара диффузиясы ар башка микротүзүлүш жана температура режимдеринде бөлүнгөн.
- α да, γ да түзүлүшүн билдирген үлгүлөр каралган.
- Бир коэффициенттүү моделдин жетишсиздиги профиль формасы аркылуу ачык көрсөтүлгөн.
- Натыйжалар Fe өздүк диффузиясы, көмүртек диффузиясы жана теориялык бор механизмдери менен салыштырылган.
- Авторлор ишенимсиз жогорку температура профилдерин сандык жыйынтыкка кошкон эмес.
Изилдөөнүн чектөөлөрү
- Изилдөө рецензиядан өтө элек.
- γ фазасы таза темирдин ордуна 50 атомдук пайыз Ni камтыган FeNi менен берилген.
- Өнөр жай болотторунда кездешкен көмүртек, азот жана башка легирлөөчү элементтер эксперименттерде жок.
- Өлчөнгөн активдешүү энергиялары атомдук механизмди өз алдынча так аныктабайт.
- Бордун субституциялык же интерстициалдык орундагы үлүшү түздөн-түз өлчөнгөн эмес.
- Эки көлөмдүк диффузия жолунун атомдук келип чыгышы өзүнчө эксперименттер менен текшерилген эмес.
- Нанокристаллдык чачыратылган пленкалардын бүртүк чек аралары ири бүртүктүү өнөр жай болотторунун чек араларынан айырмаланышы мүмкүн.
- Нанобүртүк кластерлеринин айланасындагы тез жолдун коэффициенти аныкталган эмес.
- Жогорку температураларда бордун учуучулугу жана интерфейс реакциясы ишенимдүү өлчөөнү чектеген.
- Булак катмарынын иретин түшүндүргөн сүйлөмдө жазуу катасы бар.
- Бөлүктүү диффузия моделиндеги төмөн концентрация чек мааниси текстте жетишпейт.
- Диффузия коэффициенттери көз карандысыз изотоп, атомдук зонд же башка тереңдик профилдөө ыкмасы менен текшерилген эмес.
Изилдөө эмнени колдойт?
- α-Feде бордун көлөмдүк диффузиясы эски тез диффузия божомолдорунан кыйла төмөн.
- Жөнөкөй интерстициалдык механизм α-Feдеги жогорку активдешүү энергияларын түшүндүрүүгө жетишсиз.
- Вакансия менен байланышкан же диссоциативдик механизмдер α-Fe үчүн ылайыктуураак талапкерлер.
- γ-FeNiде вакансия аркылуу механизм өлчөнгөн энергия аралыгына шайкеш.
- α-Fe жана γ-FeNi ичинде кеминде эки байкалуучу көлөмдүк диффузия жүрүм-туруму болушу мүмкүн.
- Бордун бүртүк чек ара диффузиясы ошол эле температурадагы көлөмдүк диффузиядан тез.
- Бордун бүртүк чек ара ташылуусу Fe жана Ni бүртүк чек ара өздүк диффузиясына салыштырмалуу түзүлүш жагынан чектелиши мүмкүн.
- Нанокристаллдык пленкаларда кадимки бүртүк чек араларынан тышкары тезирээк кластер интерфейстери болушу мүмкүн.
Изилдөө эмнени далилдебейт?
- Бор бардык болот курамдарында бирдей коэффициенттер менен кыймылдай турганын далилдебейт.
- Таза γ-темирдин диффузия коэффициентин түздөн-түз өлчөбөйт.
- Диссоциативдик механизмди атом масштабында түздөн-түз көрсөтпөйт.
- Эки көлөмдүк диффузия коэффициенти эки өзүнчө жана жалгыз механизмге туура келерин тактабайт.
- Белгилүү жылуулук иштетүү программасы механикалык бекемдик же катуулук өсүшүн эсептебейт.
- Бордун бүртүк чек арасындагы чыныгы атомдук тизилишин көрсөтпөйт.
- Өнөр жай болотторундагы чөкмө түзүлүшүн, сегрегацияны жана фаза өтүүсүн чогуу моделдебейт.
- Жаңы коэффициенттер бардык эски бор диффузия маалыматтарын түздөн-түз алмаштыра аларын далилдебейт.
Болот өндүрүшү жана жылуулук иштетүү үчүн мааниси
Диффузия коэффициенти эски божомолдордон төмөн болушу бор жылуулук иштетүү учурунда аустенит бүртүк чек араларына күтүлгөндөн жайыраак жетиши мүмкүн дегенди билдирет. Бирок чек арага жеткенден кийин кристалл көлөмүнө караганда тезирээк кыймылдай алат; ошентсе да Fe өздүк диффузиясына салыштырмалуу бул кыймыл түзүлүш жагынан чектелүү болушу мүмкүн.
Бул натыйжалар чындалуу моделдеринде бир гана тез интерстициалдык диффузия коэффициентин колдонуу жетишсиз болушу мүмкүн экенин көрсөтөт. Реалдуураак моделдер:
- Субституциялык жана интерстициалдык бор абалдарын,
- Вакансия концентрациясын,
- Бүртүк чек ара сегрегациясын,
- Бор нитриди жана борокарбид чөкмөлөрүн,
- Легирлөөчү элементтер менен өз ара аракеттенүүнү,
- Бүртүк чек арасынын түрүн,
- Аустениттештирүү жана муздоо убактысын
бирге карашы керек болушу мүмкүн.
Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары
Эксперименттик долбоордун жыйынтыгы
| Компонент | Колдонулган ыкма |
|---|---|
| Негизги изилдөө темасы | Темирдеги бордун көлөмдүк жана бүртүк чек ара диффузиясы |
| α фазасынын үлгүсү | Жогорку тазалыктагы, ири бүртүктүү Fe |
| γ фазасынын өкүлү | Болжол менен 50 атомдук пайыз Ni камтыган FeNi |
| Көлөмдүк диффузия үлгүлөрү | Al2O3/B/Fe жана Al2O3/B/FeNi |
| Көлөмдүк диффузия күйдүрүүсү | 400–700 °C, 1–220 саат |
| Бүртүк чек ара үлгүлөрү | Нанокристаллдык Fe/Fe-B/Si жана FeNi/FeNi-B/Si |
| Бүртүк чек ара күйдүрүүсү | 200–350 °C, 0,5–300 саат |
| Түзүлүш анализи | XRD жана кайра чачыраган электрон сүрөттөө |
| Химиялык профиль | Учуунун убактысы боюнча SIMS |
| Профиль калибрлөөсү | 5–383 атомдук ppm жана 17 атомдук пайыз B стандарттары |
| Сандык анализ | Бир өлчөмдүү диффузия теңдемесинин чектүү айырма чечими |
| Статистикалык тест | Классикалык гипотеза тести же p мааниси колдонулган эмес |
| Белгисиздик ыкмасы | Arrhenius ылайыкташтырууларында активдешүү энергиясынын белгисиздиктери берилген |
Негизги сандык жыйынтыктар
- α-Fe көлөмдүк диффузиясы болжол менен 4,0 × 10−21–1,7 × 10−16 m²/s аралыгында.
- γ-FeNi көлөмдүк диффузиясы болжол менен 8,5 × 10−22–2,0 × 10−17 m²/s аралыгында.
- α-Feде тез көлөмдүк жол жай жолдон болжол менен 1–2 тартип чоң.
- γ-FeNiде тез көлөмдүк жол жай жолдон болжол менен 4–20 эсе чоң.
- α-Fe үчүн көлөмдүк диффузия активдешүү энергиялары 3,68 жана 3,17 eV.
- γ-FeNi үчүн көлөмдүк диффузия активдешүү энергиялары 2,51 жана 2,74 eV.
- Нанокристаллдык α-Feде DGB 6,6 × 10−23–4,8 × 10−20 m²/s.
- Нанокристаллдык γ-FeNiде DGB 5,6 × 10−23–7,2 × 10−20 m²/s.
- Бүртүк чек ара активдешүү энергиялары α-Fe үчүн 1,20, γ-FeNi үчүн 1,22 eV.
- Бор бүртүк чек ара диффузиясынын алдынкы экспоненциалдык коэффициенти эки түзүлүштө тең болжол менен 10−10 m²/s деңгээлинде.
Натыйжалардын техникалык чечмелениши
α-Feдеги көлөмдүк диффузия көмүртек сыяктуу классикалык интерстициалдык элементтерден күтүлгөн кыймылдуулукка ээ эмес. Активдешүү энергиясынын 3 eVден жогору болушу бор атомунун кыймылында вакансия пайда болушу, субституциялык орун жана интерстициалдык абалдардын ортосунда өтүү сыяктуу энергиясы жогору процесстер роль ойной турганын көрсөтөт.
γ-FeNiде бор кыймылдуураак; бирок дагы эле көмүртек сыяктуу тез эмес. Өлчөнгөн энергия аралыгы вакансия аркылуу кыймылга шайкеш. Никелдин үлүшү жогору болгондуктан, механизм менен коэффициенттерди таза аустениттик темирге өткөрүү өзүнчө текшерилиши керек.
Бүртүк чек араларында бор кристаллдык тордун көлөмүнө салыштырмалуу тезирээк ташылат. Бирок темир жана никель атомдору менен салыштырганда төмөн алдынкы экспоненциалдык коэффициент бор чек ара боюнча пайдалана ала турган конфигурациялар чектелүү болушу мүмкүн экенин көрсөтөт.
Кайра өндүрүү үчүн маанилүү деталдар
- Бор жана Al2O3 катмарларынын чыныгы калыңдыгы 20–30 nm аралыгында.
- Каптоо учурунда суу менен муздатуу аркылуу үлгүнүн 20 °C температурасы сакталган.
- Күйдүрүлбөгөн профиль сөзсүз баштапкы шарт катары колдонулушу керек.
- Ири бүртүктүү үлгүлөрдө анализ аймагы бүртүк борборунан тандалышы керек.
- SIMS чегүү ылдамдыгы ар бир прибор шартында кайра калибрлениши керек.
- Нанокристаллдык эксперименттерде Harrison C-тибиндеги шарт аткарылганы текшерилиши керек.
- γ фазасынын эксперименттери үчүн FeNi курамындагы никелдин таасири өзүнчө бааланышы керек.
- Жогорку температураларда бор жоготуусу жана каптоо интерфейс реакциясы көзөмөлдөнүшү керек.
Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү
Изилдөөнүн толук оригинал аталышы: Volume and grain boundary diffusion of boron in iron
Авторлор: Ryusuke Nakamura, Miki Yamada, Tsubasa Kotsuji, Yuta Nishikawa, Shinji Sakane, Kohta Asano, Takeshi Wada, Daiki Terazawa, Takeyuki Suzuki жана Hiroshi Numakura.
Авторлордун ирети: Булакта берилгендей сакталган.
Тең биринчи автор: Тең салым же тең биринчи авторлук тууралуу билдирүү жок.
Жооптуу автор: Ryusuke Nakamura.
Байланыш дареги: nakamura.r@mat.usp.ac.jp
Мекеме 1: Department of Materials Chemistry, School of Engineering, The University of Shiga Prefecture, Hikone, Япония.
Мекеме 2: Faculty of Mechanical Engineering, Kyoto Institute of Technology, Kyoto, Япония.
Мекеме 3: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Tsukuba, Япония.
Мекеме 4: Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai, Япония.
Мекеме 5: Steel Research Laboratories, Nippon Steel Corporation, Chiba, Япония.
Мекеме 6: The Institute of Scientific and Industrial Research, Osaka University, Ibaraki, Япония.
Мекеме 7: Department of Materials Science, Graduate School of Engineering, Osaka Metropolitan University, Sakai, Япония.
Расмий булак шилтемеси:SSRN каттоо барагы
Жарыялоо платформасы: SSRN.
Жарыяланган жылы: 2026.
Журнал: Бул нускада белгилүү рецензияланган журналдын аты же кабыл алуу маалыматы жок.
Рецензияланган басмакана: Рецензияланган журнал басмаканасы жөнүндө маалымат жок.
Булактын түрү: Эксперименттик диффузиялык күйдүрүү, SIMS тереңдик профилдештирүү жана сандык профиль чечилишин камтыган preprint изилдөө макаласы.
Рецензия абалы: Изилдөө рецензиядан өтө элек.
Ryusuke Nakamuraнын салымдары: Концептуалдаштыруу, формалдык анализ, маалыматтарды иреттөө, изилдөө, каржылоону алуу, ыкма, текшерүү, ресурстарды камсыз кылуу, алгачкы текстти жазуу, визуалдаштыруу жана долбоорду башкаруу.
Miki Yamadaнын салымдары: Формалдык анализ жана изилдөө.
Tsubasa Kotsujiнин салымдары: Формалдык анализ жана изилдөө.
Yuta Nishikawaнын салымдары: Формалдык анализ жана изилдөө.
Shinji Sakaneнин салымдары: Ыкма, ресурстарды камсыз кылуу жана маалыматтарды иреттөө.
Kohta Asanoнун салымдары: Ыкма жана ресурстарды камсыз кылуу.
Takeshi Wadaнын салымдары: Ыкма жана ресурстарды камсыз кылуу.
Daiki Terazawaнын салымдары: Ресурстарды камсыз кылуу.
Takeyuki Suzukiнин салымдары: Ресурстарды камсыз кылуу.
Hiroshi Numakuraнын салымдары: Концептуалдаштыруу, каржылоону алуу жана жетекчилик.
Каржылоо: Изилдөө KAKENHI–MEXT алкагында 2628923119 жана 19K04989 номерлүү гранттар, ошондой эле The Iron and Steel Institute of Japan тарабынан 20-76 жана 25-1041 номерлүү изилдөө колдоолору менен каржыланган. SIMS өлчөөлөрү Network Joint Research Center for Materials and Devices биргелешкен программасы тарабынан колдоого алынган.
Кызыкчылыктардын кагылышы: Изилдөөчүлөр ишке таасир бере турган белгилүү каржылык кызыкчылык же жеке мамиле жок экенин билдиришкен.
Кошумча маалымат: Колдоочу маалыматтар онлайн кошумча материалга киргизилгени айтылган; бирок булактагы кошумча материал тууралуу сүйлөм толук эмес жана белгилүү репозиторий шилтемеси берилген эмес.
Булактагы жазуу көйгөйлөрү: Нанокристаллдык катмарлардын ыраатын түшүндүргөн салыштыруу сүйлөмүндө бир эле түзүлүш эки жолу жазылган. Ошондой эле α-Feдеги бөлүктүү диффузия моделинде тез жол колдонулуучу төмөн концентрация аймагынын чектөөчү мааниси жетишпей калган. Бул жерлер үнсүз оңдолгон жок.
Негизги чечмелөө чеги: γ фазасы боюнча өлчөөлөр таза темирде эмес, никели көп FeNi эритмесинде жүргүзүлгөн. Атомдук механизмдер активдешүү энергияларынан чыгарылган чечмелөөлөр; бордун тордогу орду же секирүү жолу түздөн-түз байкалган эмес.
Бул кыргызча мазмун жүктөлгөн изилдөөнүн тексти, теңдемелери, таблицалары, графиктери жана микротүзүлүш сүрөттөрүнүн негизинде гана даярдалды. Изилдөөдө жок болот бекемдиги, катуулук өсүшү, өндүрүш ийгилиги, өнөр жай жылуулук иштетүү жыйынтыгы же Түркияга тиешелүү өндүрүмдүүлүк дооматы кошулган жок.
Пикир калтырыңыз
E-mail дарегиңиз жарыяланбайт. Милдеттүү талаалар * менен белгиленген