Неравновесной термодинамики

При реализации многоэтапных технологических процессов получения и обработки заготовок и изделий дисперсионно-твердеющие алюминиевые сплавы следует рассматривать кок объекты, последовательно воспринимающие многонарпметрические внешние воздействия и относящиеся к сложным многофакторным динамическим трансформационным системам с изменяющимися во времени параметрами состояния, внешними воздействиями, степенью неравновесной структуры.

Одним из способов получения неравновесной структуры литого металла, эффективно проявляющей свои качества после соответствующей термической обработки является литье с кристаллизацией ПОД давлением. Данный метод литья сочетает ряд достоинств, прежде всего, обеспечивает высокое качество литых заготовок аналогично го-рячештампованным и позволяет использовать сплавы с низким коэффициентом линейного расширения при относительной простоте техно-Логического процесса. Вместе с тем особенности армирования структуры и свойств различных материалов, получаемых литьем с кристаллизацией под давлением остается мало изученными. В качестве материала для исследования использовались алюминиевые сплавы типа АЛ25, которые широко применяются для изготовления поршней ДВС. Экспериментальные образцы вырезались из натуральных поршней ДВС, изготовленных путем литья в кокиль и литьем с кристаллизацией под давлением с усилием от 80 до 100 тони на гидравлическом прессе, часть образцов подвергалась последующему старению.

охлаждается со скоростью равной или выше критической, необходимой для получения неравновесной структуры — мартенсита закалки. Этот процесс является наиболее ответственным, определяющим структуру и свойства поверхностного слоя детали, поэтому необходимо несколько подробнее рассмотреть правила выбора основных параметров техно-

Введенное представление о неравновесной структуре границ относится к континуальной среде. Однако полагая, что границы зерен имеют кристаллографически упорядоченное строение, в качестве источников упругих полей необходимо рассматривать дискретные нарушения этого строения — ЗГД и их комплексы. На рис. 2.18д, ж схематично показаны комплексы ЗГД, создающие такой же характер упругих искажений у границ, как на рис. 2.18г, е (полностью эквивалентным континуальному представлению было бы введение непрерывного распределения бесконечно малых дислокаций). В представленных на этих рисунках случаях освобождение границы от упругих полей (возврат) может произойти путем удаления из нее ЗГД. В примере, показанном на рис. 2.18д, кроме того, возможно равномерное распределение ЗГД в границе, что приведет к их аннигиляции. Эти примеры, безусловно, не исчерпывают всех возможных путей возврата неравновесной структуры,

так же как приведенные схемы не исчерпывают всех случаев неравновесного состояния границ. В общем случае механизмы возврата, очевидно, определяются конкретным типом неравновесной структуры границы.

Закалка — самый распространенный вид термической обработки, состоящий в нагреве стали до оптимальной температуры, выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении в целях получения неравновесной структуры (рис. 50). Закаливают практически все детали машин и механизмов, инструмент и штампы. В результате закалки повышаются прочность, твердость, сопротивление износу (износостойкость) и предел -упРУ-гости, однако при этом понижается пластичность стали.

Элементами неравновесной структуры шва являются химическая неоднородность, "дисперсность карбидной или интерметал-лидной фазы {в зависимости от легирования), повышенное содержание примесей в твердом растворе и искаженность кристаллической решетки. Первичная структура сварных швов состоит из четко выраженных столбчатых дендритов; вторичная — обычно мелкозернистая с дисперсным распределением второй фазы.

Составы теплоустойчивых сталей, применяемых за рубежом, приведены в табл. 15. Наиболее распространенными и проверенными сталями, надежность которых подтверждается -многолетним опытом эксплуатации в различных странах, считаются хромо-молибденовые стали 1Сг—0,5Мо типа нашей стали 15ХМ (до 510— 540° С) и 2,25Сг ----- 1Мо (до 565" С). Работоспособность этих сталей зависит от их термической обработки. Хотя еще несколько лет назад наблюдалась тенденция использовать эти стали в упрочненном состоянии за счет создания неравновесной структуры при термической обработке, в настоящее время считают предпочтительной для них стабильную структуру. Как указывается, например в работе [110], применение стали ЮСгМоЭЮ в структурно-стабильном состоянии не вызывало никаких трудностей в эксплуатации; в то же время упрочнение этой стали за счет термической обработки вызывает при длительной работе охрупчивание материала.

Недавние прямые наблюдения границ зерен, выполненные методом просвечивающей электронной микроскопии, дали прямые доказательства их специфичной неравновесной структуры в НСМ, вследствие присутствия атомных ступенек и фасеток, а также зернограничных дислокаций [4]. В свою очередь, вследствие неравновесных границ зерен, возникают высокие напряжения и искажения кристаллической решетки, которые ведут к дилатациям решетки, проявляющимся в изменении межатомных расстояний, появлении значительных статических и динамических атомных смещений, экспериментально обнаруженным при рентгеновских и мессбауэровских исследованиях. Далее приведены параметры наноструктур ной меди, измеренные методами РСА [4]:

охлаждается со скоростью равной или выше критической, необходимой для получения неравновесной структуры - мартенсита закалки. Этот процесс является наиболее ответственным, определяющим структуру и свойства поверхностного слоя детали, поэтому необходимо несколько подробнее рассмотреть правила выбора основных параметров технологии закалки.

Закалка — термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов, распад высокотемпературного твердого раствора по эвтектоидной реакции и др. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении.

Отпуску подвергают закаленную сталь для перевода неравновесной структуры в более равновеснуй), обеспечивающую заданный комплекс свойств. Температура отпуска не превышает точки Ас^. В зависимости от температуры нагрева различают отпуск высокий, средний и низкий. К отпуску следует отнести и пррцесс старения. Под старением применительно к стали следует понимать нагревы незакаленной стали, находящейся в неравновесном состоянии, для получения более стабильного состояния. Старение может быть термическим и деформационным.

Долгое время считалось, что для нелинейных систем требуется применение законов неравновесной термодинамики. Г.П. Гладышев [2] развил подходы макротермодинамики, позволяющие использовать законы классической термодинамики для открытых систем путем введения принципа локального равновесия. В соответствии с этим принципом любая открытая система может быть представлена как квазизакрытая, в которой открытые подсистемы помещены в термостат. Это позволяет для описания сложных систем применить уравнения классической термодинамики, используя представления о средней удельной энергии Гиббса (энергия Гиббса, отнесенная к локальному объему).

Термодинамика изучает общие законы превращения различных видов энергии в макросистемах, находящихся в условиях, близких к равновесным, а синергетика - процессы в рамках неравновесной термодинамики. В обоих случаях для описания процессов превращения и самоорганизации структур используются несколько обобщенных понятий таких как энергия, энтропия, энтальпия, термодинамический потенциал и другие.

Один из создателей неравновесной термодинамики Денбиг [14] показал на примере кристаллического твердого тела, что энтропию не следует связывать с мерой беспорядка в системе, как это часто делают. Он отметил, что хотя частицы, составляющие кристалл, расположены упорядоченно (если они занимают положения, близкие к точкам пересечения геометрической решетки), но не ясно насколько это расположение упорядочено, т.к. теория упорядоченности, которая позволила бы определить степень упорядоченности кристалла, отсутствует.

Область неравновесной термодинамики относят к кинетической термодинамике [7], так как в необратимой нелинейной термодинамике функции состояния в строгом смысле этого слова отсутствуют.

Г.П. Гладышев [2] показал, что дискретность строения природных структур позволяет выделить системы и подсистемы, а их поведение описать равновесными и неравновесными моделями. Это дает возможность сочетать подходы, основанные на классической термодинамике и термодинамике неравновесных систем. Такое сочетание получило название макротермодинамики, изучающей системы любого типа с использованием методов термостатики и неравновесной термодинамики. Классическая термодинамика (термостатика) не оперирует временем как параметром. Однако она имеет то преимущество, что использует термодинамический потенциал, обладающий высокой информативностью и характеризующий экстремальные свойства. Термодинамика необратимых процессов, наоборот, оперирует со временем, но требует для описания неравновесных процессов существенно большее число переменных по сравнению с соответствующим равновесным процессом, фиксируя свое внимание на эффектах неустойчивости.

Методологические основы технологий получения и обработки материалов с использованием подходов неравновесной термодинамики еще только формируются. Самоорганизующиеся технологии получения и обработки материалов связаны с обеспечением условий, при которых создается, воспроизводится или совершенствуется структура материала в процессе обмена системы Энергией и веществом с окружающей средой. Материалы, полученные в этих условиях, лишены основных недостатков, свойственных материалам, подучаемым традиционными методами (неоднородности структуры и химического состава). Основы теории самоорганизации были заложены еще в 30-40-я годах нпшего века применительно к живой природе. Развитие кибернетики, с затем и синергетики, как теории самоорганизующихся структур, привело к установлению универсальности механизма самоорганизации, являющегося общим, кап в живой, так и неживой природе. Ие останавливаясь далее ни этой универсальности отметим, что а основе ее лежит один и тот же закон — принцип минимума П^ЮЙЗЕОД-ство :штропии, контролирующий процессы самоорганизации диссн.т-тивных структур с реализацией обратной внутренней сиязи. Это означает, что управление свойствами материалов можно осуществлять путем контроля за структурными элементами, играющими роль обшп;-ных связей. Один из примеров материалов подобного типа являются сплаиы с памятью формы (или сверхупругие сплавы). В них структурным элементом, обеспечивающим роль обратной .связи, является vp-моупрупш мартенсит. При деформации сплава подводимая энергия расходуется на мартенситиое превращение, а при снятии нагружевип, иииду обратимости превращения, ока диссипируется. Созданные В нашем пеке сплавы с памятью формы являются основой для получения в будущем на базе неравновесной термодинамики «неуставаемых» ми-

В (дамках НАШИХ представлений и положений неравновесной термодинамики обрабатымямый материал и поток чистин рассматривается нами как вэиимодийртвующв^ чости одной системы, «поток —

Показано, что во всем диапазоне исследованных скоростей деформирования пластическая деформация металла по зоне сварки имеет гетерогенный характер — изменяется величина деформации локализованной вдоль области контакта и протяженность области локализации деформации. При этом изменяется и механизм пластической деформации: при режимах диффузионной сварки (ё ~1(И.СЛ) пластическая деформация реализуется по дислокационному механизму, по мере увеличения ? ~ до 104.С"1...10Г).С'1 пластическая деформацию реализуется преимущественно за счет поворотных механизмов и коллективных форм движения дефектов решетки. Последнее структурно проявляется в виде полос деформации (полос сдвига, полос переориентации). Количественная оценка объемной доли характерных структурных элементов, формирующихся при изменении внешних условий, их размерных характеристик, разориентировок, а также анализ механизмов формирования структур, свидетельствует о том, что по мере увеличения скорости деформирования ё > Ю3.С-1 структурные преобразования в зоне сварки протекают не но эволюционной кинетике, а имеют синергетический характер, кинетика которых может быть описано в рамках теории неравновесной термодинамики [1, 2].

3. С учетом этого в рамках фундаментальных положений статистической физики и неравновесной термодинамики с позиций синергетики предложена фрактальная трактовка структуры полимерной матрицы и схема численного моделирования, основанная только на использовании молекулярных параметров. С помощью компьютерной программы на основе разработанной модели рассчитаны параметры надмолекулярной структуры и технические характеристики эпокси-полимерной матрицы.

могут HtyiiTb только иллюстративных характер. Это положение полностью соответствует принципам неравновесной термодинамики, поскольку ненынолнемин дли стеклообразных полимеров равенстве При-гожииа-Дефця дли характеристики их структуры необходимо более одного параметра порядки.

Долгое время считалось, что для нелинейных систем требуется применение законов неравновесной термодинамики. ГЛ. Гладышев [2] развил подходы макротермодинамики, позволяющие использовать законы классической термодинамики для открытых систем путем введения принципа локального равновесия. В соответствии с этим принципом любая рткрытая система может быть представлена как квазизакрытая, в которой открытые подсистемы помещены в термостат. Это позволяет для описания сложных систем применить уравнения классической термодинамики, используя представления о средней удельной энергии Гиббса (энергия Гиббса, отнесенная к локальному объему).