Проміжна та заключна стадії сегрегації домішок на межах і в порах твердих тіл - Автореферат

Національна академія наук України Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наукОфіційні опоненти: Доктор фізико-математичних наук, професор, член-кореспондент НАН України Сльозов Віталій Валентинович, завідувач відділу Інститута теоретичної фізики ННЦ "Харківський фізико-технічний інститут" (м. Розглядаються особливості сегрегації домішок в бінарних та тройних сплавах на проміжних та заключній стадіях процесу (затримка темпу та немонотонний хід сегрегації, формування проміжних довгоживучих нерівноважних сегрегацій), причиною яких є латеральна взаємодія та боротьба за місця домішок в межі. На прикладі виділення метану з вугілля розглядається процес виділення з пористого твердого тіла молекул газа, акумульованих раніше в твердому розчині та в порах. Результати дозволяють прогнозувати темпи накопичення домішок на міжзеренних межах та зовнішніх поверхнях конструкційних матеріалів, визначати час зростання відпускної крихкості, а також оцінювати рівень газоносності вугільної речовини. На примере выделения метана из угля рассматривается процесс выделения из пористого твердого тела молекул газа, аккумулированных ранее в твердом растворе и в порах.Сегрегація, тобто накопичення домішок поблизу зовнішніх поверхнь, меж зерен та інших дефектів структури в твердих тілах, у тому числі пор, реалізується головним чином шляхом внутрішньої адсорбції, тобто виходу домішок з глибини матеріалу на його поверхню. Теоретичний опис сегрегації домішок на межах розподілу та в порах твердих тіл, оцінка часу накопичення та кількості домішок, локалізованих поблизу дефектів структури, має важливе практичне значення. Найбільший інтерес викликають ті стадії сегрегаційного процесу, на яких значення концентрацій домішок поблизу меж розподілу стають порівняними з рівноважними та значною мірою перевищують концентрації тих самих домішок у твердому розчині, наприклад, всередині зерен. Наприклад, під час аналізу кінетики сегрегації в бінарних сплавах [8], як правило, не була врахована взаємодія між атомами домішки на межі розподілу, яка може суттєво впливати на швидкість сегрегації та ступінь збагачення межі домішкою. З урахуванням наявних експериментальних даних, подібний теоретичний розгляд сегрегації домішок у твердих тілах дозволяє судити про такі фундаментальні величини, як енергія взаємодії атомів домішки в адсорбційному шарі між собою та з залишком обсягу твердого тіла; оцінити ступінь впливу рівня первісної кількости домішок у матриці на кінетику сегрегації; робити висновки щодо величини енергії звязку розчинених газових молекул з твердим тілом та оцінювати їхню розчинність у твердому тілі.Постає доцільним докладний аналіз впливу взаємодії домішкових атомів як одного, так і різних сортів спільно з боротьбою за місця між атомами домішки в межі на кінетику, число та тривалість стадій сегрегаційного процесу. Для опису кінетики сегрегації на межах розподілу та в порах твердих тіл був обраний феноменологічний підхід, при якому використовуються характеристики сегрегації, що безпосередньо визначаються під час експериментів (поверхнева та обємна концентрації, коефіціент збагачення поверхні). За умови миттєвого вирівнювання хімічних потенціалів домішки в адсорбційному шарі та найближчому до нього шарі матриці, цей звязок в довільний момент часу задається ізотермою Фаулера, що враховує наявність боротьби за місця та взаємодії між атомами домішки в адсорбційному шарі: (1) де Т - абсолютна температура, - коефіцієнт збагачення; - різниця між енергією атома домішки в межі та в обємі (); - енергія взаємодії атомів домішки між собою, коли вони знаходяться в найближчих один до одного місцях; z - координаційне число в даній зернограничній структурі. В другому розділі вивчається вплив внутригранічної взаємодії та обмеженності числа місць в границі, що можуть бути зайнятими атомами домішки, на ступінь збагачення та темп виходу домішок на міжкристалітні та міжфазні межі. Явища конкуренції або кооперації домішок різних сортів, що спостерігаються, можуть супроводжуватись (залежно від температури, співвідношення початкових концентрацій домішок в обсязі матеріала та енергій латеральної взаємодії) немонотонністю процесса сегрегації, а також сильною затримкою його темпа навіть до утворення проміжних нерівноважних довгоживучих фаз на поверхнях розподілу.В бінарному сплаві внаслідок боротьби за місця та латеральної взаємодії сегрегації на межах розподілу формуються в два або більше етапів. Кількість етапів визначається величиною обємної концентрації домішки та температурою, при якій відбувається процес. Отримано в явному вигляді залежність концентрації домішки в межі від часу на кожному з етапів, оцінено їхню тривалість. Час життя таких сегрегацій визначається близькістю поверхневої підсистеми до межі області сталості (спінодалі).

2. Основний зміст роботи