Вплив теплофізичних властивостей матеріалу підкладки холодильника на термічний режим охолодження. Розробка моделі кінетики кристалізації металів, що враховує конкуренцію процесів зародження і росту рівноважної, метастабільної поліморфної модифікації.
Аннотация к работе
Основою метою дисертаційної роботи було встановлення основних закономірностей режиму охолодження і формування структури металів і сплавів при загартуванні з рідкого стану. дослідити вплив теплофізичних властивостей розплаву і матеріалу підкладки, а також товщини рідкого шару і якості його теплового контакту з холодильником на термічний режим охолодження та встановити звязок між швидкістю охолодження, коефіцієнтом тепловіддачі і товщиною шару розплаву в діапазоні значень, які характерні для різних методів загартування; Виконано аналіз впливу низки параметрів моделі (теплофізичних властивостей розплаву (Al, Ni, Nd) і підкладки (Cu, Ti), перегріву розплаву DT (50-300 К) і початкової температури гартівного блоку Tb (77-473К), а також товщини плівки (10-2-103 мкм) і якості її теплового контакту з підкладкою, кількісною характеристикою якої є коефіцієнт тепловіддачі a (103-5·106) Вт/(м2·К)) на швидкість охолодження розплаву. Це рівняння одержано в припущенні, що в процесі твердіння розплаву кристали ростуть ізотропно, з однаковою ефективною швидкістю ueff, величина якої пропорційна частці обєму, зайнятого рідкою фазою (ueff=(1-x)u). Розрахунки, проведені для випадку гомогенного зародження та лінійного ізотропного росту, показали, що обидві моделі дають практично однакові значення х для умов істотного пригнічення кристалізації і l для шарів, що повністю кристалізуються, а також близькі залежності x(l).За допомогою чисельних рішень системи рівнянь теплопровідності та розробленого рівняння кінетики масової кристалізації проведені дослідження термічних режимів загартування з розплаву, схильності металів і сплавів до переохолодження та аморфізації, кінетики росту кристалів на стадії масової кристалізації, а також особливостей формування структури в умовах конкуренції декількох поліморфних модифікацій металів. Порівнянням результатів розвязання теплової задачі з набором відповідних експериментальних даних одержані співвідношення між швидкістю охолодження um і товщиною шару розплаву l в інтервалі значень l, від 10-2 до 103 мкм, що використовують на практиці. Для низки чистих металів з істотно різними теплофізичними властивостями (Al, Ni, Cu, Ag) виконано розрахунки переохолодження в залежності від режиму загартування з розплаву. Показано, що подрібнення кристалічної структури при зростанні швидкості охолодження зумовлене зростанням відносного часу тривалості процесу зародження, а розраховані залежності ймовірніших розмірів кристалів від швидкості охолодження добре узгоджуються з результатами теоретичних та експериментальних досліджень.
1. За допомогою чисельних рішень системи рівнянь теплопровідності та розробленого рівняння кінетики масової кристалізації проведені дослідження термічних режимів загартування з розплаву, схильності металів і сплавів до переохолодження та аморфізації, кінетики росту кристалів на стадії масової кристалізації, а також особливостей формування структури в умовах конкуренції декількох поліморфних модифікацій металів.
2. Порівнянням результатів розвязання теплової задачі з набором відповідних експериментальних даних одержані співвідношення між швидкістю охолодження um і товщиною шару розплаву l в інтервалі значень l, від 10-2 до 103 мкм, що використовують на практиці.
3. Для низки чистих металів з істотно різними теплофізичними властивостями (Al, Ni, Cu, Ag) виконано розрахунки переохолодження в залежності від режиму загартування з розплаву. Показано, що розраховані значення DT- для різних металів і характер їх залежності від um корелюють з експериментальними оцінками переохолоджень.
4. Досліджено умови некристалічного твердіння при загартуванні перелічених металів з рідкого стану і встановлено що найбільшу схильність до аморфізації має Ni, а найменшу Al. Цей висновок, як і чисельне значення критичної швидкості охолодження, необхідної для пригнічення кристалізації нікелю (uc=9,4?109 К/с), добре узгоджується з відповідними експериментальними даними.
5. На прикладі Al та сплаву Fe80B20 проілюстровано можливість використання розробленої моделі кінетики масової кристалізації для вивчення кінетики росту кристалів та характеру їх розподілу за розмірами. Показано, що подрібнення кристалічної структури при зростанні швидкості охолодження зумовлене зростанням відносного часу тривалості процесу зародження, а розраховані залежності ймовірніших розмірів кристалів від швидкості охолодження добре узгоджуються з результатами теоретичних та експериментальних досліджень.
6. Експериментально встановлено, що в швидкозагартованих фольгах легких лантаноїдів (La, Ce, Nd) товщиною менше 60 мкм, поряд з рівноважними модифікаціями металів (b-La, g-Ce, a-Nd) фіксується метастабільний структурний політип (m-La, Ce, Nd), який має семишарову гексагональну гратку 7R з послідовністю укладання атомних шарів АВСАВАС… Наведено ймовірні механізми формування m-фаз шляхом накопичення та впорядкування дефектів пакування у щільноупакованих ГЦК та ПГК гратках рівноважних фаз в умовах загартування з розплаву.
7. Запропоновано оригінальну модель кінетики багатофазної кристалізації за допомогою якої розглянуті процеси формування двох рівноважних і однієї метастабільної модифікацій неодиму при загартуванні з рідкого стану. Досягнуто добре узгодження результатів розрахунків з експериментальними даними при фізично коректних значеннях параметрів моделі.
Список литературы
1. Лысенко А.Б., Борисова Г.В., Кравец О.Л. Расчет скорости охлаждения при закалке сплавов из жидкого состояния // ФИТВД. - 2004. - т.14, № 1. - С.44-53.
2. Лисенко О., Кравець О., Губарєв С. Дослідження динаміки охолодження під час загартування сплавів з рідкого стану // Вісник Львів. ун-ту. - 2005. - вип.38. - С.135-146.
3. Lysenko A.B., Kravets O.L., Lysenko A.A. Structure of lanthanum prepared by quenching from a liquid state // Crystallography Reports. - 2005. - vol.50, №7. - P.S10-S15.
4. Лысенко А.Б., Борисова Г.В., Кравец О.Л. Структура и механизм образования метастабильных политипов легких редкоземельных элементов // ФИТВД. - 2005. - т.15, №2. - С.96-104.
5. Borisova G.V., Lysenko A.B., Korovina N.A., Kravets O.L., Lysenko A.A. Amorhing of alloys by laser glass glazing of surface // Proceedings of the Second International Conference: Laser Technologies in Welding and Materials Processing. - Kiev, 2005. - P. 73-75.
6. Lysenko A.B., Borisova G.V., Kravets O.L., Lysenko A.A. Conditions for the formation and the structure of a metastable cerium modification // Physics of Metals and Metallography. - 2006. - vol.101, №5. - P.484-490.
7. Лисенко О., Кравець О., Губарєв С. Моделювання процесів теплопереносу в умовах загартування сплавів з рідкого стану // Матеріали Всеукраїнської конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики „Еврика - 2003”. - Львів: Львівський нац. ун-т ім. І. Франка, 2003. - С.113.