Побудова моделей для опису кінетики спонтанної аморфізації метастабільної кристалічної фази загартованих металевих сплавів. Розгляд теорії фазового переходу рідини в аморфний стан. Вивчення утворення полікластерної структури переохолодженої рідини.
Аннотация к работе
З відкриттям нових класів фазових перетворень, таких як аморфізація швидко загартованих металевих сплавів і спонтанна аморфізація метастабільної кристалічної фази, виникла необхідність розвитку нових підходів і побудови адекватних моделей для опису кінетики цих процесів. При розгляді кінетики фазового перетворення звичайно використовується імовірносно-феноменологічна теорія Колмогорова, що дозволяє здобути обємну частку нової фази як функцію часу за відомими швидкостями зародження й росту. Оскільки останнім часом досліджуються різні процеси фазових перетворень, що йдуть за механізмом конкурентного зародкоутворення (наприклад, одночасне зростання виділень декількох фаз у сталях; утворення різних фаз вуглецю в напилюємих алмазних плівках та інші процеси), то отримані тут результати є актуальними і важливими для застосувань. Робота є частиною досліджень, що проводилися в рамках "Програми робіт з атомної науки й техніки ННЦ ХФТИ" за темами 05/52 "Кінетика й термодинаміка фазових перетворень у сильно нерівноважних системах, твердих тілах, що опромінюються, і переохолоджених рідинах. · Використовуючи вирази для швидкостей зародження та росту, а також результати імовірносно-феноменологічної теорії для обємних часток конкуруючих фаз, провести розрахунок кінетики затвердіння переохолодженої рідини як при фіксованій температурі, так і в умовах охолодження з постійною швидкістю.У вступі розкривається стан наукової проблеми, обґрунтовується актуальність теми дисертації, формулюються мета і задачі дослідження, відзначаються наукова новизна і практичне значення здобутих результатів, подаються відомості про апробацію роботи та публікації, стисло викладено зміст дисертаційної роботи.У підрозділі 2.4 розглянуте наближення незалежних фаз (ННФ), у якому зневажається наявністю вищезгаданих ефектів, і отримано вирази для обємних часток конкуруючих фаз при залежних від часу швидкостях зародження і росту : , , (1) де - обєм у момент часу зародка, що виник у момент . У підрозділі 2.6 одержано вирази для обємної частки фази, що зароджується на границях зерен, при залежних від часу швидкостях зародження й росту. У даному випадку зерна першої фази виявляються "замурованими" у середині шару другої фази й практично не дають внеску в приріст перетвореного обєму. Крім того, метод Колмогорова дозволяє обчислити тільки обємну частку неперетвореної речовини (або сумарну обємну частку конкуруючих фаз); пропонований підхід дозволяє обчислити обємну частку кожної фази. Одержано співвідношення для різниць хімічних потенціалів атома в рідині й будь-який з твердотільних фаз (), які входять в феноменологічний вираз для роботи утворення зародка - фази у рідині: , (8) де - площа поверхні зародка з атомів; - поверхневий натяг на границі-фаза - рідина.Розглянуто наближення незалежних фаз і отримано вирази для обємних часток конкуруючих фаз у цьому наближенні при залежних від часу швидкостях зародження й росту. Знайдено функції розподілу зародків за розмірами для кожної з фаз. Показано високу точність цього наближення, як у випадку двох, так і у випадку більшої кількості фаз. Одержано вирази для обємної частки фази, що зароджується на границях зерен, при залежних від часу швидкостях зародження й росту, а також для сферичної та циліндричної форми зародків. Одержано вираз для обємних часток двох конкуруючих фаз, що зароджуються на границях зерен; розглянуто два граничних випадки.
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
У дисертації здобуто такі результати: 1. Розглянуто задачу узагальнення класичної теорії Колмогорова-Джонсона-Мейла-Аврами на випадок декількох одночасно зростаючих фаз. Описано й оцініно геометричні ефекти, що мають місце при взаємодії зародків й обумовлені розходженням швидкостей росту фаз. Розглянуто наближення незалежних фаз і отримано вирази для обємних часток конкуруючих фаз у цьому наближенні при залежних від часу швидкостях зародження й росту. Знайдено функції розподілу зародків за розмірами для кожної з фаз.
2. Розвинутий геометріко-імовірносний метод для обчислення обємних часток конкуруючих фаз, що, на відміну від підходу Колмогорова, є "диференціальним" як стосовно тимчасової перемінної, так і стосовно просторової. У рамках цього методу одержано вирази для обємних часток у різних наближеннях. Одержано оцінки точності наближення незалежних фаз. Показано високу точність цього наближення, як у випадку двох, так і у випадку більшої кількості фаз. Виявлено, що при довільному збільшенні числа фаз погрішність зростає не більше, ніж у два рази.
3. Одержано вирази для обємної частки фази, що зароджується на границях зерен, при залежних від часу швидкостях зародження й росту, а також для сферичної та циліндричної форми зародків. З використанням цього виразу одержано рівняння калоріметрічної кривої. Показано, що залежність швидкості росту від часу якісно змінює вид цієї кривої - на її висхідній гілці зявляється додатковий пік або злам.
4. Одержано вираз для обємних часток двох конкуруючих фаз, що зароджуються на границях зерен; розглянуто два граничних випадки. У першому з них швидкість зародження повільно зростаючої фази багато більше швидкості зародження швидко зростаючої, у другому - швидкості зародження обох фаз порівняні. Показано, що у першому випадку результат фазового перетворення визначається повільно зростаючою фазою. У другому випадку асімптотика сумарної частки перетвореної речовини на великих часах визначається швидко зростаючою фазою. Цей результат є наслідком одномірності закону росту на великих часах.
5. Розвинуто підхід конкурентного зародкоутворення для опису кінетики затвердіння переохолодженої рідини, що враховує утворення й ріст некристалічних зародків (кластерів) поряд із кристалічними. Розглянуто термодинамічні аспекти проблеми, одержано вирази для рушійних сил процесів зародкоутворення й поверхневих натягів зародків різних типів. Одержано вирази для швидкостей зародження й росту конкуруючих фаз.
6. Проведено розрахунок кінетики затвердіння переохолодженої рідини при фіксованій температурі. Отримано явну залежність від температури обємних часток конкуруючих фаз у кінцевому стані. Таким шляхом установлени температурні області утворення кристалічного, аморфного й змішаного аморфно-кристалічного твердого тіла. Розглянуто випадки як двох, так і більшого числа конкуруючих фаз.
7. Розглянуто кінетику затвердіння рідини, охолоджуваної з постійною швидкістю. Проведено чисельний розрахунок значень обємних часток кристалічної та аморфної фаз при різних швидкостях охолодження. Отримано залежності обємних часток цих фаз у кінцевому стані від швидкості охолодження. Ці залежності дозволяють визначити критичну швидкість охолодження, вище якої рідина перетворюється на поликластерне аморфне тіло.
8. Отримано функції розподілу кристалів і кластерів за розмірами при різних швидкостях охолодження. Вид функцій розподілу також показує, що при швидкостях охолодження більше критичної основна частка речовини знаходиться в некристалічній фазі, а при менших - у кристалічної, або частки обох фаз одного порядку (змішаний аморфно-кристалічний стан). Таким чином, встановлено, що структура полікластеру й, зокрема, середній розмір кластеру, істотно залежать від швидкості охолодження.
9. Розглянуто фазові перетворення метастабільної кристалічної фази високого тиску (HP-фази), що відбуваються при нагріванні: аморфізація й наступна кристалізація. Побудовано модель для розрахунку кінетики цих процесів, що враховує можливість конкурентного утворення аморфної та стабільної кристалічної фаз на границях зерен вихідної метастабільної фази. Поряд з обчисленням обємних часток аморфної і кристалічної фаз, також отримано рівняння калоріметричних кривих цих процесів, що дозволяє проводити аналіз калоріметричних вимірів. Описано механізм зародження й росту аморфної фази. Проведено порівняння з результатами експериментів. Розрахована калоріметрична крива процесу аморфізації сплаву Cd43Sb57 якісно і кількісно погоджується з експериментальною.
Автор висловлює глибоку вдячність науковому керівнику О.С. Бакаю за пропоновану тему дисертації та підтримку при виконанні роботи, а також А.А. Туркіну і М.П. Лазареву за технічну допомогу.
Список литературы
1. Алексеечкин Н.В., Бакай А.С., Лазарев Н.П. Кинетика затвердевания переохлажденной жидкости при конкурентном образовании нескольких твердотельных фаз // ФНТ.- 1995.- Т.21, № 5.- С. 565-575.
2. Алексеечкин Н.В., Бакай А.С., Abromeit C. О кинетике изотермического фазового превращения переохлажденной жидкости // Металлофиз. и новейшие технол.- 1998.- Т. 20, № 6.- С.15-21.
3. Алексеечкин Н.В. О вычислении объемных долей конкурирующих фаз // ФТТ.- 2000.- Т.42, № 7.- С. 1316-1321.
4. Alekseechkin N.V., Bakai A.S., Abromeit C. On the kinetics of spontaneous amorphization of a metastable crystalline phase // J. Phys.: Condens. Matter.- 2001.- V. 13.- P. 7223-7236.
5. Abromeit C., Alekseechkin N.V., Bakai A.S., Lazarev N.P. Theory of spontaneous amorphization of metastable crystalline phases // J. Non-Cryst. Solids.- 2002.- V. 312-314.- P. 527-532 (Proc. 11-th Intern. Conf. on Liquid and Amorphous Metals “LAM 11”, Yokohama, Japan, 2001).
6. Alekseechkin N.V., Bakai A.S., Abromeit C. On the kinetics of spontaneous amorphization of a metastable crystalline phase // Proc. Second International Workshop “Diffusion and diffusional phase transformations in alloys” DIFTRANS 2001.-Cherkasy (Ukraine).- Abstract Booklet.- 2001.- P.52.