Способ определения коэффициента диффузии в порошковых спеченных соединениях Советский патент 1992 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к порошковой металлургии, к исследованию физических свойств веществ и может быть использовано для контроля параметров диффузии в порошковых спеченных материалах.

Известен способ определения параметров диффузии в твердых телах, основанный на послойном снятии слоев и измерении их радоактивности.

Недостатком этого способа является его сложность, обусловленная необходимостью внедрения радиоактивного диффузан- та и повторения измерений после каждого снятия слоя.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения коэффициента диффузии как функции концентрации в порошковых материалах, основанный на приготовлении диффузионных пар; (сначала 1-й порошок засыпают в форму и прессуют, за- i тем 2-й насыпают на 1-й и прессуют оба), после чего образцы отжигают изотермически, измеряется концентрационное распределение элементов в диффузионной зоне методом локального рентгеноспектрально- го анализа и вычисляется концентрационная зависимость эффективного коэффициента взаимной диффузии. При этом измеренное концентрационное рас

ю

Ј со

пределение из-за большого разброса значений сглаживается сплайн-функцией. Алгоритм построения сплайн-функции является по существу решением задачи регуляции по Тихонову.

Коэффициент диффузии вычисляется ортогональным методом наименьших квадратов при использовании нормального регрессионного анализа.

Для проверки вычисленных значений D (С) решали уравнение Фика с заднными граничными условиями для С (х,0). Используя интегро-интерполяционный метод, решение этого уравнения сводилось к решению разностной задачи на ЭВМ.

Для сопоставления с экспериментальными данными концентрационные кривые совмещали в плоскости Матано.

Недостатком указанного способа является его сложность, обусловленная необходимостью сглаживания экспериментальных данных измерений распределения концентраций в диффузионной сплайн-функцией, чтобы по ним вычислять коэффициент диффузии D (С). Кроме того, в порошковой паре нет строгой однородности в направлении, параллельном поверхности начального раздела, поэтому в каждом эксперименте проводятся несколько измерений распределения концентрации. Вычисленные значения D (С) усредняют, применяя метод нормального регрессионного анализа с ортогональными полиномами подбором значимых степеней по Г-критерию Фишера, что является сложным.

Целью изобретения является упрощение способа, расширение области его применения и повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения коэффициента диффузии в порошковых спеченных со- единениях, заключающимися в приготовлении двухкомпонентных порошковых смесей, прессовании, последующем изотермическом отжиге, измерении электрических характеристик, по которым рассчитывают коэффициент диффузии, приготовление двухкомпонентных порошковых смесей проводят путем механического перемешивания до однородного распределения, перед и после изотермического отжига смесь рентгенографируют и измеряют максимальную интенсивность характеристических линий обеих или одной из компонент, а коэффициент диффузии рассчитывают по формуле

где LOA - размер частиц компоненты А, в которой измеряется коэффициент диффузии;

У

макс.после диф.

отношение макси

5 1макс.додиф.

мумов интенсивности до и после диффузии; Z - параметр, который определяется пределом чувствительности метода регистрации интенсивности, зависимостью пара10 метров решетки твердых растворов, образующихся при диффузии, от концентрации, и видом граничных условий при взаимной диффузии в контактных зонах компонент;

15 t - время диффузии.

Вывод рабочей формулы для DBA основан на анализе изменений максимальной интенсивности линий чистых компонент порошковой смеси. Максимальная интенсив20 ность линий чистых компонент пропорциональна их объемной доле в облучаемом рентгеновскими лучами объеме. В результате взаимной диффузии объемная доля чистых компонент уменьшается, что вызывает уменьшение интенсивности их

25 рентгеновских линий. Относительное изменение интенсивности этих линий можно связать с параметрами процессов диффузии и с начальными размерами частиц порошков.

30 Применение предлагаемого изобретения позволяет упростить способ, расширить область его применения и повысить точность измерения коэффициента диффузии в порошковых спеченных соединениях. Упро35 щение способа достигается за счет того, что вместо длительного процесса измерения и расчета коэффициента диффузии предлагается более простая формула определения коэффициента диффузии. Повышение точ40 ности измерения достигается тем, что пред- лагаемый способ исключает разброс значений концентраций и фактически позволяет получить информацию о протекании диффузии в любом конкретном участке

45 диффузионной пары.

Предлагаемый способ измерения коэффициента диффузии имеет более широкую область применимости по сравнению с известным, так как метод локального рентге50 носпектрального анализа, используемый по известному способу, имеет ограничения на значения атомного номера исследуемых элементов, а предлагаемый способ можно использовать для всех известных элемен55 тов.

Пример. Предлагаемый способ определения коэффициента диффузии в 2-ком- понентных порошковых спеченных

соединениях реализован следующим образом.

Порошки эквиатомного состава Fe и Мп, что не ограничивает общности, перемешивают механически и прессуют с получением плоской поверхности. С помощью рентгеновского аппарата ДРОН-2 под углом 0 52,4° производят рентгеносъемку поверхности прессовки и измеряют максимум интенсивности 1Макс характеристической линии СоК#от компонента А (железо Fe).

После диффузионного отжига в печи при 730°С в течение 3 ч снова измеряют максимум интенсивности той же характеристической линии 1Макс и вычисляют

у 1макс.последиф. . для линии железа у макс.до диф.

0,093.

Коэффициент диффузии компонента В и А (Мп и Fe) можно вычислить по формуле (1)

При t 3 3600 с и у 0,093 находят два других параметра: LOA (размер зерна Fe) HZ.

Размер зерна можно определить металлографическим микроскопом. LoFe 130 .

Параметр Z определяется из решения уравнения для взаимной диффузии

NBCr.O- O-erf),®

где N&- начальная концентрация В.

После преобразования СЈред erf Z, где Z - аргумент функции erf;

Свред предельная относительная концентрация компонента В (Мп) и A (Fe), при которой железо считается чистым (так как чувствительность рентгеновского аппарата

Д0пред 0,1°).

Свред можно вычислить используя за- кон Вегарда и закон Вульфа-Брэгга:

спред ЦЈ . ctg © . ,

(3)

-г- «.у -r -j -Апред 1

где ад - постоянная решетки компонента А; b - постоянная Вегарда; 0- угол Вульфа-Брэгга ( 0 52°).

-П1о-0.1 -3,14 пред-U,1igQ

рад.

Определив См°пед, можно найти Z: 1 - 2

0,,84 1-2 СВРпед erf Z.

Из таблиц функции ошибок находят, что значению 0,84 соответствует аргумент Z 1,00.

Вычисляют по формуле (1) коэффициент

лП

диффузии Мп и Fe, равный 4,9 10 см /с. Использование предлагаемого способа

Q по сравнению с известным позволяет существенно упростить методику расчета коэффициента диффузии, тем самым ускорить процесс его вычисления (на 50%), повысить точность измерения коэффициента

5 диффузии, так как по известному способу из-за неоднородностей порошковых соединений наблюдался большой разброс значений концентраций, который затем сглаживался сплайн-функцией, а также расQ ширить область применения, так как извест- ный способ применим лишь для определенного количества элементов периодической таблицы, а предлагаемый способ может быть использован для всех элементов.

5

0

5

0

5

Формула изобретения Способ определения коэффициента диффузии в порошковых спеченных соединениях, заключающийся в приготовлении двухкомпонентных порошковых смесей, прессовании, последующем изотермическом отжиге и измерении характеристики, по которой рассчитывают коэффициент диффузии, р--т личающийся тем, что, С целью упрощения способа, расширения области его применения и повышения точности измерения, приготовление двухкомпонентных порошковых смесей проводят путём механического перемешивания до однородного распределения, перед и после изотермического отжига смесь рентгенографируют и измеряют максимальную интенсивность характеристических линий обоих - Или одного из компонент, а коэффициент/диффузии рассчитывают по формуле

i-OA ,„ .ГV- 1 2

Ов О-уПта1

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к исследованию физических свойств, и может быть использовано для контроля параметров диффузии в порошковых спеченных соединениях. Цель - упрощение способа. Способ заключается в приготовлении двухкомпонентных порошковых смесей путем механического перемешивания до однородного распределения и их последующего прессования. Перед и после изотермического отжига образцы рентгенографируют и измеряют максимум интенсивности одной и той же линии чистого компонента. Коэффициент диффузии рассчитывают по формуле DBA (LoA/16t)(1 -V1 + (j-1)/Z)2, где LOA- размер частиц компонента А (в которой измеряется коэффициент диффузии); у макс после диф.Лмакс до диф. - Отношение максимумов интенсивности до и после диффузии; 2,- параметр, который определяется пределом чувствительности метода регистрации интенсивности, зависимостью параметров решетки твердых растворов, образующихся при диффузии, от концентрации и видом граничных условий при взаимной диффузии в контактных зонах компонент; t - время диффузии. (Л

ад аре 2,86647 А ;

Ьре-мп 0,5 -10 3А/ат. %. Таким образом,См°пед 8 ат.%

При С(уРпед 8 ат.%, железо считается чистым (смещение линии железа меньше

0,1), а при (Жед; 8 ат,% интенсивность уносится из основной линии, т.е. уже имеют дело не с чистым железом, а сплавом.

где LOA - размер частиц компоненты А (в которой измеряется коэффициент диффузии);

1макс.последиф. отношение .до диф.

симумов интенсивности до и после диффузии;

Z - параметр, который определяетсяции и видом граничных условий при взаимпределом чувствительности метода регист-ной диффузии в контактных зонах компорации интенсивности, зависимостью пара-нент;

метров решетки твердых растворов,t- время диффузии,

образующихся при диффузии, от концентра-5