Кинетический фазовый переход при кристаллизации металлов из расплава тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Иванов, Иван Алексеевич

• Иванов, Иван Алексеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Иванов, Иван Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПОДХОДОВ К КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

1.1. Механизмы и модели кристаллизации.

1.2. Образование и роль кластеров при кристаллизации.

1.3. Синергетический и ансамблевый подход к кристаллизации металлов

1.4. Факторы, влияющие на кристаллизацию.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кинетический фазовый переход при кристаллизации металлов из расплава»

Процесс кристаллизации металла в большинстве случаев является решающим этапом получения металлоизделий, определяющим их качество и служебные свойства.

Известны классические работы Гиббса, Таммана, Чернова и многих других, внесшие существенный вклад в понимание механизма кристаллизации. Вместе с тем, существующие подходы к описанию фазовых переходов первого рода, к которым относится кристаллизация металла, не учитывают роль особенностей теплоотвода и индивидуальных свойств компонентов расплава, без чего сложно адекватно описать кинетику и морфологию возникающего кристаллического твердого тела. Классическая теория роста кристаллов рассматривает этот процесс как последовательность двух этапов: зарождения частиц твердой фазы критического размера (зародышей), зависящего от величины переохлаждения AT, и последующего рост твердой фазы. В современной литературе обычно обходят механизм такого роста, принимая, что рост происходит путем присоединения в наиболее энергетически выгодном месте к зародышу атомов из жидкой фазы. Однако эти подходы не объясняют наблюдаемые в экспериментах скорости л кристаллизации (от 10" см/с до 5 м/с).

Является общепризнанным, что основным фактором, влияющим на протекание кристаллизации и определяющим характеристики структуры затвердевшего металла, является интенсификация теплоотвода. Вместе с тем, известны факты того, что малые изменения содержания определенных не фазообразующих (не микролегирующих) компонентов в расплаве приводят к существенному изменению морфологии образующейся кристаллической структуры и качественному изменению физических свойств твердого металла.

Таким образом, актуальными задачами являются следующие:

1. Развитие представлений о кристаллизации металла, которые:

• учитывают влияние на морфологию и свойства твердой фазы как условий теплоотвода, так и других факторов;

• объясняют реальные скорости кристаллизации.

2. Комплексная оценка значимости различных факторов, в том числе индивидуальных свойств примесей и их концентрации, на конечные физические свойства закристаллизовавшегося металла.

3. Оценка возможности воздействия на процесс кристаллизации.

Цель диссертационной работы - развитие физических представлений о кинетике фазового перехода при кристаллизации металла из расплавов и о формировании первичной кристаллической структуры; разработка способов управления процессом кристаллизации.

Основные этапы достижения этой цели:

• критический анализ существующих представлений о кристаллизации;

• развитие физических представлений о процессе кристаллизации металлов из расплава и об образовании первичной кристаллической структуры;

• разработка алгоритма и компьютерная реализация кинетической имитационной модели кристаллизации металлов и образования первичной кристаллической структуры;

• компьютерное исследование влияния различных факторов на кристаллизацию металлов; экспериментальное исследование влияния примесей (кремния и фосфора) на формирование первичной кристаллической структуры и структурночувствительные свойства сталей.

Научная новизна работы заключается: в применении стохастически-детерминированного подхода к описанию процесса кристаллизации металлов; в использовании гипотезы о постадийном протекании кристаллизации (первая стадия - формирование кластеров в пограничном предкристаллизационном слое расплава, и вторая - последующее их присоединение к твердой фазе); в использовании фрактальной параметризации для количественного описания геометрии образующейся первичной кристаллической структуры; в компьютерном моделировании развитых представлений о процессе кристаллизации металлов, позволившем выявить ряд возможных управляющих воздействий на процесс кристаллизации металла, таких как концентрация и индивидуальные свойства примесей.

Основными результатами работы можно считать следующие: развитие представлений о стадийности процесса кристаллизации металлов, состоящего из формирования кластеров в пограничном кристаллизационном слое и их последующего присоединения к твердой фазе. Особенности строения структуры твердой фазы являются следствием неоднородностей и дефектов, возникающих на этих стадиях кристаллизации, связанных с конкуренцией процессов перехода кластеров жидкой фазы в твердое состояние и процессов вытеснения кластеров примеси на границе фронта; разработка алгоритма и компьютерная реализация имитационной модели кинетического фазового перехода при кристаллизации металлов из расплава и образования первичной кристаллической структуры; выявление значимости (на основании результатов моделирования) влияния индивидуальных свойств примесей на формирование первичной кристаллической структуры и свойств твердой фазы, проявляющейся в том, что даже незначительное изменение содержания определенных примесей может привести к существенному (качественному) изменению характеристик кристаллизующегося материала.

Практическая ценность работы состоит: в исследовании значимости влияния параметров модели на процесс кристаллизации металлов из расплава, которое показало, что наряду с основным фактором, определяющим структуру твердой фазы, которым является интенсивность охлаждения, существенное влияние на характеристики закристаллизовавшегося металла оказывают индивидуальные свойства и концентрация примеси; в использовании фрактальной размерности в качестве комплексной характеристики морфологии (геометрии) первичной кристаллической структуры; в обосновании влияния концентрации примеси на формирование первичной кристаллической структуры металла и его физических свойств; в объяснении (подтверждении) влияния концентрации кремния на первичную кристаллическую структуру и физические свойства сплавов на основе железа.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Иванов, Иван Алексеевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате развития представлений о стадийности процесса кристаллизации металлов, состоящего из формирования кластеров в пограничном предкристаллизационном слое и их последующего присоединения к твердой фазе, показано что:

• особенности структуры твердой фазы являются следствием неоднородностей и дефектов, возникающих на этих стадиях процесса кристаллизации;

• формирование и последующее присоединение к твердой фазе агрегатов частиц (кластеров) объясняет высокие скорости кристаллизации металлов.

2. Разработана трехмерная компьютерная имитационная модель кинетического фазового перехода при затвердевании металлов, которая позволила:

• корректно смоделировать в режиме реального времени развитые представления о процессе кристаллизации;

• проанализировать влияние основных управляющих параметров -внешних условий теплоотвода, индивидуальных свойств компонентов расплава и концентрации примеси - на формирование первичной кристаллической структуры;

• рассчитать фрактальную размерность структур твердой фазы, получающихся при моделировании (фрактальная размерность составляет от 1,0 до 1,6).

3. Показано, что фрактальная размерность является адекватной количественной характеристикой описания морфологии (геометрии) образующейся структуры. На основании экспериментальных данных вычислена фрактальная размерность формы дендритных структур (фрактальная размерность лежит в диапазоне от 1,2 до 1,8) и выявлена связь между фрактальной размерностью и параметрами дендритной структуры для сплавов на основе железа.

4. В результате компьютерного моделирования установлены:

• немонотонное влияние внешних условий теплоотвода (скорости охлаждения), индивидуальных свойств компонентов расплава (относительный коэффициент аккомодации) и концентрации примеси на характер образующейся структуры;

• механизм влияния основных управляющих параметров (скорости охлаждения, относительного коэффициента аккомодации и концентрации примеси) на формирование первичной кристаллической структуры, который объясняется конкуренцией процессов перехода кластеров примеси из жидкой фазы в твердое состояние и процессов вытеснения примеси на границе фронта кристаллизации.

5. Проведено экспериментальное изучение влияния аккомодационно трудно совместимых примесей (кремния и фосфора) на формирование первичной кристаллической структуры (микроуровень) и структурночувствительные свойства (макроуровень) стали. На основании экспериментального исследования влияния аккомодационного фактора определены:

• существенное влияние аккомодационно трудно совместимых с основным веществом примесей (кремния и фосфора) на кристаллическую структуру и структурночувствительные свойства стали;

• критическое значение содержания кремния, равное 0,1%, превышение которого приводит к существенному огрублению кристаллической структуры при соответствующем (пропорциональном концентрации кремния) уменьшении ее фрактальной размерности;

• немонотонная зависимость температуры хрупко-вязкого перехода от содержания кремния с наличием критической концентрации в диапазоне его содержаний от 0,1% до 0,15%;

• значительное влияние содержания фосфора на температуру хрупко-вязкого перехода, приводящее к её снижению на величину порядка 60° при снижении концентрации фосфора с уровня 0,029% до уровня менее 0,003%.

6. Установлено симбатное изменение характеристик микроструктуры (фрактальной размерности, расстояния между осями второго порядка и межосных промежутков) и макро - свойств (физических свойств) металла (температуры хрупко-вязкого перехода) в зависимости от содержания примесей, аккомодационно существенно отличающихся от свойств основы сплава, что подтверждает взаимосвязь микро- и макроуровней его структуры.

7. На основе экспериментального и компьютерного исследования кинетики фазового перехода предложен механизм нелинейного влияния концентрации и индивидуальных свойств примеси (относительного коэффициента аккомодации) на первичную кристаллическую структуру и, как следствие, на структурночувствительные свойства твердой фазы, заключающийся в суперпозиции процессов вытеснения примеси и затвердевания вещества.

8. На основе разработанной имитационной модели кинетического фазового перехода предложена вероятностная модель пенообразования в расплавах, в которую заложена суперпозиция элементарных физических явлений, таких как увеличение объема пор, всплытие пор на поверхность под действием силы тяжести и объединения пор при их соприкосновении. Модель позволяет проводить в режиме реального времени компьютерное исследование вспенивания расплавов в зависимости от концентрации и качества (содержания в нем водорода) порообразующего вещества, распределения размеров частичек порофора и вязкости расплава. Проведенное экспериментальное исследование влияния времени выдержки в печи на вспенивание образцов пеноалюминия качественно подтвердило результаты компьютерного моделирования, что подтверждает правильность заложенных в модель физических представлений о вспенивании металлов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Иванов, Иван Алексеевич, 2007 год

1. Павлов В.В. О "кризисе" кинетической теории жидкости и затвердевание. Екатеринбург. 392 с. (1997).

2. Борисов В.Т. Теория двухфазной зоны металлического слитка. Москва: Металлургия. 224 с. (1997).

3. Иванова B.C., Баланкин А.С., Бунин И.Ж., Оксогоев А.А. Синергетика и фракталы в материаловедении. Москва: Наука. 383 с. (1994).

4. Криндач В.П. Принцип симметрии. Историко методологически проблемы. Москва: Наука. С. 256-267 (1978).

5. Дуб B.C., Копелиович Д.Д., Панкратов О.С., Дуб А.В. Роль вероятностных процессов в формировании структуры при затвердевании. Сталь. №10. С. 28-32. (1990).

6. Гуляев А.П. Металловедение. Москва: Металлургия. 647 с. (1978).

7. Фольмер М. Кинетика образования новой фазы. Перевод с немецкого. Москва: Наука. Главная редакция физ.-мат. литературы. 208 с. (1986).

8. Флеминге М. Процессы затвердевания. Москва: Мир 423 с. (1977).

9. Странский И.Н., Кашиев Р. УФН. Т.21. №4. С. 408-465. (1939).

10. Бартон В., Кабрера Н., Франк Ф. Элементарные процессы роста кристаллов. Перевод с английского. Москва: Иностранная литература. С. 11-109.(1959).

11. Леммлейн Г.Г. Вестник АН СССР. Т. 4. С. 119. (1945).

12. Frank F.C. Crystal Growth. Discussions of Faraday Society. P. 48. (1949).

13. Джаксон К.А. Жидкие металлы и их затвердевание. Перевод с англ. Москва: Металлургиздат. С. 200-214. (1962).

14. Убеллоде А. Плавление и кристаллическая структура. Москва: Мир. 450 с. (1969).

15. Kandel D., Weeks J.D. Theory of impurity-induced step bunching. Physical Review B. 49. N. 8. C. 5554-5564. (1994).

16. Френкель Я.И. Введение в теорию металлов. JL: Наука. 383 с. (1972).

17. Резибуа А., Де Лендер М. Классическая кинетическая теория жидкостей и газов. Москва: Мирю. 424 с. (1980).

18. Арсентьев П.П. Современное представление о строении и свойствах металлических расплавов. Москва: Металлургия. 124 с. (1981).

19. Бернал Дж. Д. Успехи химии т. 30. вып. 10. с. 1312-1323. (1961).

20. Архаров В.И., Новохатский И.А. ДАН СССР. т. 185. N 5. с. 1069-1072.1969).

21. Дайсон Ф. Устойчивость и фазовые переходы. Москва: Мир. 273 с. (1973).

22. Гельд П.В., Баум Б.А., Петрушевский М.С Расплавы ферросплавного производства. Москва: Металлургия. 288 с. (1973).

23. Романова А.В., Мельник Б,А. Изв. АН СССР. Металлы. №6. с. 158-164.1970).

24. Steeb S. Fortsch. Chem. Forsch Bd 10. p. 473. (1968).

25. Stules G.A. Andvances Physl. v. 16. p. 275. (1967).

26. Швидковский Е.Г. Некоторые вопросы вязкости расплавленных металлов. Москва: ГИТТЛ. 206 с. (1955).

27. Есин О.А., Гельд И.В. Физическая химия пирометаллургических процессов. Москва: Металлургия. Т. 1. 284 с. (1966).

28. Филиппов Е.С. Строение, физика и химия металлургических расплавов. Млосква: Металлургия. 303 с. (1995).

29. Соловьев В.А., Бочарова И.Е. Некоторые вопросы кристаллизации металлов. С. 381-386.

30. Булярский С.В., Львов П.Е., Светухин В.В. Влияние кристаллизации на процесс плавления полупроводниковых соединений А3В5. Журнал технической физики. Т. 71. В. 9. С. 9-14 (2001).

31. Смирнов Б.М. Физика фрактальных кластеров. Москва: Наука 136 с. (1991).

32. Весенин Ю.И. Вторичная структура и свойства кристаллов. Новосибирск: Издательство СО РАН. (1977).

33. Есин В.О., Данилюк В.И., Плишкин Ю.М. Моделирование равновесной атомной структуры поверхности кристалла в однокомпонентной системе. Кристаллография. Т 18. N 5. С. 920-925. (1973).

34. Криндач В.П. Принцип симметрии. Историко-методологические проблемы. Москва: Наука. С. 256-267. (1978).

35. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. Москва: Мир. 342 с. (1990).

36. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. Перевод с англ. Москва: Мир. 280 с. (1973).

37. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. Москва: Мир. 515 с. (1979).

38. Чалмерс Б. Теория затвердевания. Москва: Металлургия. 288 с. (1968).

39. Тарасевич Ю.Ю. Математическое и компьютерное моделирование. Москва: УРСС. 141с. (2002).

40. Глуд X., Тобонцик Я. Компьютерное моделирование в физике: в двух частях. Перевод с англ. Москва: Мир. (1990).

41. Павловский Ю.Н. Имитационные модели и системы. Москва: ФАЗИС. Вып. 2. (2000).

42. Иванов И.А., Дуб А.В. Кинетический фазовый переход при кристаллизации. Тезисы докладов "Десятой Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых". Москва: Издательство АСФ России. Т.1. С. 177-179. (2004).

43. Иванов И.А., Дуб А.В. Применение фрактальной параметризации для моделирования процессов формирования первичной кристаллической структуры металлов. Металлы. Москва: ЭЛИЗ. №4. С. 17-25. (2005).

44. Встковский Г.В., Колмаков А.Г., Бунин И.Ж. Введение в мультифрактальную параметризацию структур материалов. Ижевск: РХД. 116 с. (2001).

45. Mandelbrot В.В. The Fractal Geometry of Nature. San-Francisco: Freeman. 427 p. (1982).

46. Фракталы в физике. Под редакцией Пьетронеро JL, Тозати JI. Москва: Мир. (1988).

47. Третьяков Ю.Д. Дендриты, фракталы и материалы. СОЖ. №11. с. 96-102.(1998).

48. Золотухин И.В.Фракталы в физике твердого тела. СОЖ. №7. с. 108-113. (1998).

49. Федер Е. Фракталы. Пер. с англ. Москва: Мир.254 с. (1991).

50. Кнут Д. Искусство программирования. Том 1. Основные алгоритмы. Москва: Мир. 648 с. (1976).

51. Кнут Д. Искусство программирования. Том 2. Получисленные алгоритмы. Москва: Мир. 788 с. (1977).

52. Кнут Д. Искусство программирования. Том 3. Сортировка и поиск. Москва: Мир. 800 с. (1977).

53. Роберт Коварт, Брайан Книттель. Использование Microsoft Windows ХР Professional. 752 с. (2004).

54. Дуб B.C., Булатников В.И., Федорова В.А. Комплекс методик металлографического анализа для исследования особенностей структуры шнуров внецентренной ликвации. Москва: Энергомашиностроение. N4. с. 17-21.(1983).

55. Под редакцией Бекетова Б.И., Юганова С.А. Методы металлографического анализа сталей и сплавов. Москва: НПО ЦНИИТМАШ. 166 с. (1978).

56. Suzuki A., Suzuki Т., Nagaoka Y., Iawata Y. Nipon Kingaku Gakkai Shuho. 32. (1968).

57. Есин B.O., Карлина A.A. Пластинчатый характер роста и субструктура олова различной степени чистоты. ФММ. Т.9. №2. С. 307-309. (1960).

58. Борисов В.Т. Рост и дефекты металлических кристаллов. Киев: Наукова думка. С. 30-38.(1972).

59. Есин В.О. Кристаллизация и фазовые переходы. Минск: Издательство АН СССР. С. 187-193.(1962).

60. F. Ashby, N. A. Fleck. Verlag Metall Innovation Technologie MIT. Bremen, p. 45.(1999).

61. Иванов И.А., Иванов Д.О., Аксенов А.А., Дуб А. В. Имитационная модель процесса пенообразования в алюминиевых расплавах. Металлы. Москва: ЭЛИЗ. №6. С. 60-65. (2006).

62. J. Banhart, Progress in Materials Science p. 610 46. (2001).

63. L.J. Gibson, M.F. Ashby. Cellular Solids: Structure and Properties, second ed. Cambridge University Press. Cambridge. UK. (1997).

64. Davies G.J., Zhen S. J. of Material Science. V. 18. P. 1899-1911. (1983).

65. S.W. Youn, C.G. Kang. Fabrication of Foamable Precursors by Powder Compression and Induction П6. Heating Process. Metallurgical and Materials Transactions В. V. 35B. P.769-776. (2004).

66. Способ получения изделий из пеноалюминия. Патент Ru. 2180361 С2. 2002.03.10.

67. Способ получения вспененного алюминия. Патент Ru. 2026394 С1, 1995.01.09.

68. JI. А. Арбузова и др. Процесс вспенивания плотных полуфабрикатов из пеноалюминия Цветные металлы. №3. С.79-82. (2001).