Моделирование формирования ионно-модифицированных слоев железа

Цель работы – построение модели и исследование основных закономерностей диффузионных процессов при азотировании железа, ознакомление с физикой и моделями процесса.
В результате исследования построена модель и приведены исследования влияния температуры азотирования, концентрации азота на поверхности азотируемого железа и распыления поверхности.
Модель была реализована в математическом пакете Matlab с открытым программным кодом, что позволяет вносить коррективы в модель.

Введение ………………………………………………………………………………………………… 13

I Нестационарное уравнение диффузии…………………………………………………….. 15

1.1 Общее определение диффузии. Законы Фика ……………………………………. 15

1.1.1 Нестационарное уравнение диффузии …………………………………………. 21

1.2 Постановка краевых задач о зависимости концентрации вещества от
пространственной координаты и времени. Одномерный случай ………………. 23

1.2.1 Краевая задача без начальных условий ………………………………………… 23

1.2.2 Краевая задача с начальными условиями (задача Коши)……………….. 24

1.3 Аналитические решения уравнения диффузии с однородными
граничными условиями. ………………………………………………………………………… 26

1.3.1 Решение уравнения диффузии с однородными граничными
условиями методом разделения переменных ……………………………………….. 26

1.3.2 Решение уравнения диффузии с неоднородными граничными
условиями методом разделения переменных ……………………………………….. 32

II Плазменно-пучковая обработка материалов …………………………………………… 33

2.1 Азотирование металлов …………………………………………………………………… 33

2.1.1 Газовое азотирование …………………………………………………………………. 34

2.1.2 Каталитическое газовое азотирование ………………………………………… 34

2.1.3 Ионно-плазменное азотирование…………………………………………………. 35

2.2 Формирования ионно-модифицированных слоев. Диаграмма фазовых
состояний Fe-N …………………………………………………………………………………….. 36

2.3. Азотирование стали ……………………………………………………………………….. 39
III Моделирование формирования ионно-модифицированных слоев железа с
учетом распыления поверхности ионами пучка ………………………………………… 41

3.1 Математическая модель формирования ионно-модифицированных слоев
при азотировании железа ……………………………………………………………………… 41

3.2 Численные расчеты формирования ионно-модифицированных слоев
железа ионами азота ……………………………………………………………………………….. 52

3.2.1 Влияние температуры азотирования ……………………………………………. 53

3.2.2 Влияние концентрации азота на границе образца …………………………. 56

3.2.3 Влияние распыления поверхности ионами азота …………………………. 60

Ⅳ Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение … 61

4.1 Предпроектный анализ …………………………………………………………………….. 61

4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования ……………….. 61

4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения ………………………………………. 62

4.2 SWOT-анализ ………………………………………………………………………………….. 64

4.3 Инициация проекта …………………………………………………………………………. 67

4.3.1 Цели и результат проекта……………………………………………………………. 67

4.3.2 Организационная структура ……………………………………………………….. 68

4.4 Планирование управлением научно-техническим проектом ……………….. 69

4.4.1 Структура работ в рамках научного исследования ……………………….. 69

4.5 Бюджет научно-технического исследования ……………………………………… 72

4.5.1 Затраты на материалы ………………………………………………………………… 72

4.5.2 Социальное оборудование для научных работ ……………………………… 73

4.5.3 Основная заработная плата исполнителей темы …………………………… 73
4.5.4 Отчисления во внебюджетные формы …………………………………………. 76

4.5.5 Накладные расходы ……………………………………………………………………. 77

4.5.6 Прочие затраты ………………………………………………………………………….. 78

4.6 Формирование бюджета научно-исследовательского проекта …………….. 78
4.7 Реестр рисков ………………………………………………………………………………….. 79
4.8 Определение ресурсной, финансовой, бюджетной, социальной и
экономической эффективности исследования……………………………………………. 80
Вывод к разделу ……………………………………………………………………………………… 83

Ⅴ Социальная ответственность ………………………………………………………………… 84

5.1 Анализ опасных и вредных факторов ……………………………………………….. 84

5.1.1 Воздействие магнитного поля и ионизирующего излучения …………. 89

5.1.2 Электростатическое поле ……………………………………………………………. 90

5.1.3 Производственный шум и вибрации ……………………………………………. 90

5.1.4 Микроклимат в помещении ………………………………………………………… 92

5.1.5 Освещенность рабочей зоны ……………………………………………………….. 94

5.1.6 Психофизические факторы …………………………………………………………. 97

5.2 Электробезопасность……………………………………………………………………….. 98

5.3 Экологичность разрабатываемой темы ……………………………………………. 101

5.4 Защита в чрезвычайных ситуациях …………………………………………………. 102

Вывод к разделу …………………………………………………………………………………… 105

Заключение …………………………………………………………………………………………… 106

Список использованных источников ………………………………………………………. 107

Приложение А ………………………………………………………………………………………. 111

 Получена система дифференциальных уравнений, описывающая
взаимосвязанный рост ε и γ’ нитридных слоев железа, динамика которых
зависит от времени, коэффициента диффузии и скорости распыления.
 Проведено исследование влияния температуры азотирования,
концентрации азота на поверхности железа и распыления ионами
обрабатываемой поверхности на динамику слоев и распределение
концентрации азота.
 Показано, что скорость роста каждого слоя была высокая на
начальных стадиях процесса азотирования, при увеличении скорости
распыления время насыщения азотом и ширина слоев уменьшаются.
 Математическая модель формирования нитридных слоев может
быть использована для расчета толщины составного слоя в различных
процессах азотирования.

1.Калин, Б.А. Перспективные радиационно-пучковые технологии
обработки материалов: Учебник / В.А Грибков, Ф.И. Григорьев, Б.А. Калин,
В.Л. Якушин/ под ред. Б.А. Калина. М: Круглый год, 2001. – 528 с.
2.Современные тенденции модифицирования структуры и свойств
материалов.: под ред. Н. Н. Коваля и В. Е. Громова; Томск: Изд-во НТЛ, 2015.
– 378 с.
3.Модификацияматериаловкомпрессионнымиплазменными
потоками / В. В. Углов [и др.]. – Минск: БГУ, 2013. – 248 с.
4.Engelko, V., Yatsenko B., Mueller G., Bluhm H. Pulsed electron beam
facility (GESA) for surface treatment of materials // Vacuum. – 2001. – V. 62/2–3.
– P. 211–216
5.Лопатин И. В. Генерация объемной плазмы в разрядах низкого
давления с полым катодом для азотирования поверхности металлов: дис. канд.
тех. наук: 05.27.02 / Лопатин Илья Викторович; [Место защиты: Ин-т
сильноточ. электроники]. – Томск, 2013. – 161 с.: ил. РГБ ОД, 61 14-5/1429.
6.Akhmadeev Yu. H., Lopatin I. V., Koval N. N., Schanin P. M.,
Kolobov Yu. R., Vershinin D. S., Smolyakova M. Yu. // Proc. оf 10th Int. Conf.
(Tomsk: Russia, 19-24 September2010), – P. 228-231.
7.Рябчиков, А. Модификация стали 40Х при высокоинтенсивной
имплантации ионов азота / Рябчиков, А., Сивин, Д. О., Ананьин, П. С.,
Иванова, А. И., Углов, В. В., & Корнева, О. С. // Известия высших учебных
заведений. Физика (2018), 61(2), 60-66.
8.Ryabchikov, A. I. Nitriding of steel 40x with a high-intensity ion beam
/ Ryabchikov, A. I., An, T. M. K., Koval, T. V., Sivin, D. O., Anan’in, P. S., &
Korneva, O. S. // In Journal of Physics (2018, November).: Conference Series (Vol.
1115, No. 3, p. 032019). IOP Publishing
9.Б.С.Бокштейн. Диффузия в металлах. Издательство Металлургия,
119034, Москва, 1978, – 245 с
10.Г.А. Блейхер, В.П. Кривобоков. Теоретические основы обработки
материалов импульсными электронными материалами и ионными пучками.
Учеб. Пособие. Издательство ТПУ, Томск 2009. – 227 с.
11.Лахтин Ю.М., Леонтьевна В.П. Материаловедение: Учебник для
высшихтехническихзаведений.–3-еизд,перераб.идоп.–
М.:Машиностроение, 1990. – 528 с.: ил.
12.Koval T. V. Numerical simulation of discharge plasma generation and
nitriding the metals and alloys / Koval T. V., Manakov R. A., Nguyen Bao H., Tran
My K. A. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering – “XII
International Conference Radiation-Thermal Effects and Processes in Inorganic
Materials” 2016. Volume 168, conference 1. С. 012044.
13.Яловец А. П. Диффузионный массоперенос при плазменной
обработке металлов / Яловец А. П., Лейви А. Я., Талала К. А. // 11-я
Международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым мелом»,
23-25 сентября 2015 г. Минск, Беларусь. – С. 65-66.
14.Hosseini,S.R.,Kermanpur,A.&Ashrafizadeh,F.(2007).
Mathematical modelling of nitrogen depth profile in the nitriding of pure iron, Proc.
8th Conference Surface Engineering and Heat Treatment, Iranian Society of Surf.
Sci. & Tech., Kerman, pp. 571-578.
15.Sun, Y. & Bell, T. (1997). A numerical model of plasma nitriding of
low alloy steels. Mater. Sci. and Eng. A, Vol. 224, pp. 33-47
16.Фролов А.В., Бакаева Т.Н. Безопасность жизнедеятельности.
Охрана труда. 2-е изд., доп. и перераб. – Ростов на Дону: Феникс, 2008. — 750
с.
17.С.В. Белов, А.В. Ильницкая, А.Ф. Козьяков и др. Безопасность
жизнедеятельности: Учебник для вузов; Под общ. ред. С.В. Белова.7-е изд.,
стер. – М.: Высш.шк., 2007. – 616 с
18.СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к ПК и
организации работы».
19.СанПиН 2.1.7.1322-03.