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气体渗碳动力学参数原位表征的模型及其应用

气体渗碳动力学参数原位表征的模型及其应用

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作者：王一亨哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

气体渗碳过程中扩散系数D与表面传递系数β的精准测量是控制动力学演变的关键参数,对浓度场分布的准确调控意义重大。针对(D,β)的测量,目前常用的方法基于非原位重量弛豫,不可避免地引入了测量误差。本文基于电导率与碳含量呈线性关系... 详细信息

气体渗碳过程中扩散系数D与表面传递系数β的精准测量是控制动力学演变的关键参数,对浓度场分布的准确调控意义重大。针对(D,β)的测量,目前常用的方法基于非原位重量弛豫,不可避免地引入了测量误差。本文基于电导率与碳含量呈线性关系这一基本假设,提出以电导率弛豫表征碳含量随时间的变化,建立了气体渗碳过程数学模型,结果实现了(D,β)的原位测量,为研究渗碳动力学提供了一种新方法。本文通过Biot数表征渗碳过程的控制机制,建立了气体渗碳过程电导弛豫的直流阻抗谱模型,提出了基于特征时间分布函数的阻抗谱稳健性计算方法,编制了模型的相关计算软件,进行了数值模拟。结果表明,特征时间分布函数可以稳健地从含噪电导弛豫数据中提取阻抗谱高频信息,特征时间分布谱可以高分辨率显示渗碳过程的控制机制与气氛碳势建立时间τ的影响,实现了三参数(D,β,τ)的原位同步测量,较时域的电导弛豫分析法具有更高的准确性。应用CO,CO,H作为渗碳气氛,通过各组分气体含量控制碳势,进行了渗碳过程原位表征,结果表明:0.06 mm厚的铁箔在H/CO/CO气氛中一段式渗碳,渗碳弛豫均处于表面传递过程控制。解算的τ均在100 s左右,对碳势变化不敏感,β随着碳势的提高从5.58×10cm/s降低至2.64×10cm/s。相比一段式渗碳,同碳势终点的连续碳势变化渗碳的β均更低,最低降低至1.46×10 cm/s,β更接近该碳势条件下的真实值。当渗碳气氛中H与(CO+CO)的组分比例大于1,β值随着比值的增加而减小,当比例小于1,β值随着比值的增加而增加,β值的数量级与变化规律同文献报道相符。相同碳势下,0.08 mm、0.2 mm和0.5 mm厚的铁箔处于表面传递过程控制,1 mm厚样品表现为混合扩散控制。解算的τ从100 s至300 s,β处于4.71×10 cm/s到6.59×10cm/s之间。1 mm厚样品通过双参数方程解算的D为8.39×10 cm/s,与报道值接近,实现了(D,β,τ)的原位同步测量,并通过Bi数的置信区间解释了参数解算方程的适用性。相同碳势下,铁箔表面经磁控溅射3 h稀土元素La后,气体渗碳过程仍处于表面传递过程控制,但La促进了气体渗碳的传递过程,并首次在渗碳过程中原位测量了β值从6.50×10 cm/s提高至9.28×10 cm/s。

关键词：气体渗碳原位表征电导率弛豫直流阻抗谱特征时间分布

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