Прогнозирование условий фазовых переходов II рода в жидкометаллической системе

Разработан метод прогнозирования условий, при которых возможны фазовые переходы второго рода в жидкометаллической системе, основанный на представлении о равномерном распределении энергии связи в кристаллической решетке металла. Полученные расчетные данные согласуются с экспериментальными....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автор:	Дмитришина, Я.Ю.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2015
Назва видання:	Процессы литья
Теми:	Получение и обработка расплавов
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160432
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Прогнозирование условий фазовых переходов II рода в жидкометаллической системе / Я.Ю. Дмитришина // Процессы литья. — 2015. — № 2. — С. 18-23. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-160432
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1604322019-11-06T01:26:00Z Прогнозирование условий фазовых переходов II рода в жидкометаллической системе Дмитришина, Я.Ю. Получение и обработка расплавов Разработан метод прогнозирования условий, при которых возможны фазовые переходы второго рода в жидкометаллической системе, основанный на представлении о равномерном распределении энергии связи в кристаллической решетке металла. Полученные расчетные данные согласуются с экспериментальными. Розроблено метод прогнозування умов, за яких можливі фазові переходи другого роду у рідкометалевій системі, що базується на уявленнях про рівномірний розподіл енергій зв’язків в кристалічній гратці металу. Отримані дані узгоджуються з експериментальними. A method for predicting the conditions, under which second order phase transitions in liquid metal systems are possible, was developed. It is based on the concept of a uniform distribution of energy in the crystal lattice of the metal. The calculated data is in agreement with the experimental. 2015 Article Прогнозирование условий фазовых переходов II рода в жидкометаллической системе / Я.Ю. Дмитришина // Процессы литья. — 2015. — № 2. — С. 18-23. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 0235-5884 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160432 512.017 ru Процессы литья Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Получение и обработка расплавов Получение и обработка расплавов
spellingShingle	Получение и обработка расплавов Получение и обработка расплавов Дмитришина, Я.Ю. Прогнозирование условий фазовых переходов II рода в жидкометаллической системе Процессы литья
description	Разработан метод прогнозирования условий, при которых возможны фазовые переходы второго рода в жидкометаллической системе, основанный на представлении о равномерном распределении энергии связи в кристаллической решетке металла. Полученные расчетные данные согласуются с экспериментальными.
format	Article
author	Дмитришина, Я.Ю.
author_facet	Дмитришина, Я.Ю.
author_sort	Дмитришина, Я.Ю.
title	Прогнозирование условий фазовых переходов II рода в жидкометаллической системе
title_short	Прогнозирование условий фазовых переходов II рода в жидкометаллической системе
title_full	Прогнозирование условий фазовых переходов II рода в жидкометаллической системе
title_fullStr	Прогнозирование условий фазовых переходов II рода в жидкометаллической системе
title_full_unstemmed	Прогнозирование условий фазовых переходов II рода в жидкометаллической системе
title_sort	прогнозирование условий фазовых переходов ii рода в жидкометаллической системе
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Получение и обработка расплавов
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160432
citation_txt	Прогнозирование условий фазовых переходов II рода в жидкометаллической системе / Я.Ю. Дмитришина // Процессы литья. — 2015. — № 2. — С. 18-23. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.
series	Процессы литья
work_keys_str_mv	AT dmitrišinaâû prognozirovanieuslovijfazovyhperehodoviirodavžidkometalličeskojsisteme
first_indexed	2025-07-14T13:04:33Z
last_indexed	2025-07-14T13:04:33Z
_version_	1837627630252195840
fulltext	18 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 2 (110) Получение и обработка расплавов 5. Белов Б. Ф. Метод побудови полігональних діаграм стану потрійних металургійних систем / Б. Ф. Белов, І. Д. Буга, А. І. Троцан та ін. // Свідоцтво про державну реєстрацію авторського права на твір № 48344 від 18.03.2013. 6. Белов Б. Ф. Структурно-химический анализ дуплекс-системы силикаты-силициды железа / Б. Ф. Белов, А. И. Троцан, Ф. С. Крейденко и др. // Бюл. «Черная металлургия». − 2013. − № 10. − С. 31-38. 7. Атлас шлаков. Справочник, пер. с нем. − М.: Металлургия. −1985. − 208 с. 8. Троцан А. И. О природе химической связи элементов в металлургических фазах / А. И. Троцан, Б. Ф. Белов, П. С. Харлашин // Изв.ВУЗов. ЧМ . − 2002. − № 4. − С. 60-64. 9. Банных Д. А. Диаграммы состояния двойных многокомпонентных систем на основе железа / Справочник, под ред. Д. А. Банных // М.: Металлургия. − 1986. − 440 с. Поступила 21.01.2015 УДК 512.017 Я. Ю. Дмитришина Институт импульсных процессов и технологий НАН Украины, Николаев Прогнозирование Условий фазовых ПерехоДов II роДа в жиДКометалличесКой системе Разработан метод прогнозирования условий, при которых возможны фазовые переходы второго рода в жидкометаллической системе, основанный на представлении о равномерном распределении энергии связи в кристаллической решетке металла. Полученные расчетные данные согласуются с экспериментальными. Ключевые слова: жидкометаллическая система, фазовые переходы, кристаллическая решетка, энергия связей,обработка металлов, микроструктурная неоднородность, струк- турные превращения. Розроблено метод прогнозування умов, за яких можливі фазові переходи другого роду у рід- кометалевій системі, що базується на уявленнях про рівномірний розподіл енергій зв’язків в кристалічній гратці металу. Отримані дані узгоджуються з експериментальними. Ключові слова: рідкометалева система, фазові переходи, гратка кристалічна, енергія зв'язку, обробка металів, мікроструктурна неоднорідність, структурні перетворення. A method for predicting the conditions, under which second order phase transitions in liquid metal systems are possible, was developed. It is based on the concept of a uniform distribution of energy in the crystal lattice of the metal. The calculated data is in agreement with the experimental. keywords: liquid-metal system, phase transition, crystal lattice, binding energy, metal working, microstructure inhomogeneity, structure transformation. Введение Эффективность обработки металлов и сплавов в жидком состоянии связывают с определенными температурными режимами, а если обработка осуществля- ется с помощью физических полей, то еще и со способом их наложения. Исследо- вания последних лет показали, что эффект обработки связан с изменением струк- туры металлической жидкости, при этом существуют температурные интервалы, в которых эти изменения наиболее вероятны. В работах [1-3] экспериментальным ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 2 (110) 19 Получение и обработка расплавов путем установлено, что для жидкого алюминия структура ближнего порядка гране- центрированный куб (ГЦК) уже при 1123 К приобретает признаки структуры типа объемоцентрированного куба (ОЦК). В [2] показано, что для жидкого силумина в диапазоне температур от 953 до 1353 К наблюдаются три структурных превраще- ния. Причем в зависимости от процентного содержания кремния в расплаве, ско- рости, способа нагрева и обработки расплава условия структурных превращений могут изменяться [4]. Это значит, что для каждого конкретного сплава необходимо экспериментально определить оптимальные режимы и температурные интервалы обработки, а для осуществления требуется время, материальные и энергетиче- ские ресурсы. Поэтому актуален поиск методов прогнозирования и экспресс-оценки условий, при которых структурные превращения в ближнем порядке металлической жидкости наиболее вероятны. Постановка задачи Современные представления структуры жидкометаллических систем учитывают их микроструктурную неоднородность, которую описывают некими относительно упорядоченными зонами атомов – кластерами, разделяемыми менее упорядочен- ными зонами, так называемыми мерцающими границами. Благодаря постоянному разрушению и образованию кластеров с переходной зоной под воздействием тепловых колебаний определяются такие свойства, как вязкость и жидкотекучесть, интенсифицируется диффузия и самодиффузия атомов [5]. Формулы, описывающие длительность оседлой жизни атомов, находящихся в кластерах в некотором окружении,τфл и длительность пребывания вне кластеров, ∆tфл, известны из теории Френкеля [5] и теории кинетической прочности твердых тел [6]. кл фл кл фл exp к , к а а E Т E t Т   τ = τ      ∆ ≈ τ (1) где τa – период колебаний атомов в узлах кристаллической решетки, Eкл − энергия, необходимая для разрушения кластера, k – постоянная Больцмана, Т – температура расплава. Заметим, что существует такое соотношение ∆t/τфл, при котором система кла- стеров не сможет существовать и согласно положениям неравновесной термо- динамики либо разрушится, либо преобразуется в энергетически более выгодное состояние [7]. Введем обозначение: k 1 = ∆t/τфл. (2) Вероятность нахождения определенной доли атомов Р, находящихся вне кластера за некоторое время наблюдения, опишем с помощью критерия Бейли [8]: ( )exp / .кл фл1 E P e − τ = − (3) На рис. 1 для чистого алюминия показано, что соотношение k 1 при времени на- блюдения, равном 2τ 0 , практически полностью совпадает с энтропией Шеннона S (4), указывающей на меру неопределенности, непредсказуемости информации [9]. S = Pln P (4) 20 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 2 (110) Получение и обработка расплавов При этом соотношение (4) вы- числяется проще и имеет более по- нятный и однозначный физический смысл. При достижении функцией k 1 максимума, структура ближнего порядка становится максимально неустойчивой. Это условия, при ко- торых структурные преобразования наиболее вероятны. Но пересечение в данном случае оси абсцисс кривой dk1/dT, согласно теории фазовых пе- реходов Ландау [10], является при- знаком фазового перехода II-рода. Исследования структуры ближ- него порядка жидких металлов по- казали, что они сохраняют ближний порядок, подобный такому в твер- дом состоянии, то есть кластеры как бы сохраняют образ кристалличе- ской решетки твердого состояния, который стремятся воссоздать при «разрушении-создании» в жид- ком состоянии. По мере учащения «разрушения-создания» возможны такие термодинамические условия, при которых воссоздание такого образа уже не является возможным (k1 = max). При этом, согласно по- ложениям неравновесной термо- динамики [7], кластер будет стремиться к установлению более устойчивой и энер- гетически выгодной структуре в данных условиях. Установление такой структуры возможно путем уменьшения количества атомов в первой координационной сфере ближнего порядка, по сути, структурного превращения, смены образа кристалли- ческой решетки. Для получения условий, при которых структурное превращение наиболее веро- ятно, необходимо энергию, поглощенную расплавом, максимально приблизить к энергии связи атомов в структуре ближнего порядка. Цель работы – показать возможность структурных превращений в некоторых жидких металлах и разработать метод прогнозирования возможного интервала превращений при внешнем воздействии. Методы решения Для вычисления энергии связи используются весьма сложные и объемные для расчетов методы, при этом результаты вычислений все еще остаются приближенны- ми. Поэтому актуально разработать более простой и относительно быстрый метод определения энергии связи в ближнем порядке атомов в кластере. Покажем это на примере алюминия. Из классических представлений о строении и свойствах металлов, в том числе и в жидком состоянии, выделим следующее: − В жидком состоянии металл сохраняет ближний порядок с типом строения решетки, подобным такому в твердом состоянии (например, для алюминия 12). Координационные числа, свойственные алюминию в жидком состоянии, меньше такового в твердом (от 10 до 8). Логично предположить, что это связано не с изме- нением структуры ближнего порядка, а с периодичностью разрушения кластеров. Таким образом, есть некое среднее количество атомов, находящихся в свободном состоянии, и среднее количество атомов, находящихся в оседлом состоянии. 0,35 0,25 0,3 0 1 ⋅103 2 ⋅103 3 ⋅103 Т, К dk 1 /d T 6 ⋅10-5 0 1⋅103 2 ⋅103 3 ⋅103 4 ⋅103 Т, К 4 ⋅10-5 2 ⋅10-5 0 − 6 ⋅10-5 − 4 ⋅10-5 а б Рис. 1. Зависимости энтропии Шеннона от температуры и соотношения k 1 (а); температурное приращение k 1 (б) k 1 , S ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 2 (110) 21 Получение и обработка расплавов − Степень окисления (валентность), например, алюминия − 3, а оптимальная структура для элемента из 4-х атомов – тетраэдр. В твердом состоянии каждый атом такого тетраэдра может быть объединен еще с 9-ю такими же атомами. Таким образом, количество атомов в первой координационной сфере для решетки типа ГЦК равно 12. Согласно исследованиям [11], энергия связей всех атомов в элемен- тарной ячейке является результатом равномерного распределения энергии связи 4-атомной тетраэдрической микрогруппировки. Таким образом, зная энергию связей 4-х атомов для металла с тремя свободными электронами, несложно вычислить энергию связей для различных конфигураций, состоящих из 4-атомных элементов. При этом формирование различных структур из базовых 4-атомных тетраэдров не противоречит представлениям о полиморфных или политипичных структурных превращениях [12]. Энергия связи атомов в предполагаемом тетраэдре Е св пропорциональна энер- гии первого потенциала ионизации, так как при отрыве хотя бы одного электрона такой базовый элемент будет терять устойчивость. Таким образом, можно предпо- ложить, что энергия первого потенциала ионизации – это энергия, необходимая для нарушения устойчивости базового элемента структуры, в основе которого лежат наиболее сильные связи. C 1п.и св e e , ( 1) Е E n Z n = + − (5) где Е1п.и. − энергия первого потенциала ионизации,ne − количество свободных элек- тронов у атома алюминия, zC – количество атомов, влияние которых учитывается. В соотношении (5) учитывалось влияние первой и частично второй координационных сфер для решетки ГЦК, при этом общее количество атомов zC = 12 + 4 = 16. Такой под- ход связан с тем, что атомы первой координационной сферы (12 атомов) связаны не только друг с другом и центральным атомом, но и с атомами второй сферы, которые принадлежат к общим с ними тетраэдрам. На рис. 2 показан принцип построения решетки ГЦК, где атомы первой и второй координационных сфер выделены разным цветом. Таких атомов, не входящих в первую коор- динационную сферу, но образующих общие тетраэдры с входящими в нее атомами, − 8; учитывая, что они находятся на вдвое большем расстоянии от центрального атома, их влияние грубо можно считать вдвое меньшим. Таким образом учитывается влияние 12-ти атомов в первой координационной сфере и влияние половины от указанных 8-ми атомов во второй сфере (всего16). Используя предложенный подход, были получены значения для энергии связи в эле- ментарной ячейке алюминия, близкие к значе- ниям, полученным разными исследователями, но с использованием более сложных и объемных вычислений. Как видно из табл. 1, значения энергии связи в элементарной ячейке алюминия, полученные предложенным методом, превышают энергии, полученные для парной связи и близки к энергиям многочастичной связи. Также следует отметить, что приведенные данные по энергиям связи из различных литературных источников не учитывают возможность структурных перестроек в жидком алюминии. Таким образом, подставляя полученные значения энергии Е св в выражения (1) и (2), полу- чаем температурный интервал, при котором структурные преобразования в жидком алюминии наиболее вероятны. Эти данные представлены в табл. 2. Рис. 2. Принцип построения структуры ГЦК 22 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 2 (110) Получение и обработка расплавов Выводы Показана возможность вычисления температурных интервалов структурных превращений алюминия в жидком состоянии, которые согласуются с интервалами, полученными экспериментальным путем. Предложен простой метод экспресс-прогнозирования интервалов структурных превращений при внешнем воздействии, выраженных в Дж/эл.яч. и в эВ/эл. яч. Предложен метод экспресс-оценки энергии связи в кристаллической решетке, основанный на принципе равномерного распределения энергий по связям и про- порциональности энергии первого потенциала ионизации. 1. Васин М. Г., Ладьянов В. И. Полиморфные переходы в однокомпонентных жидкостях: Часть 1. Экспериментальные данные //Вестник удмуртского университета. Физика. – 2005. − № 4. – С. 99-116. 2. Погорелов А. И. Совершенствование технологии плавки и литья алюминиевых сплавов на основе исследования их строения и свойств в жидком состоянии. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. − Запорожье. – 1998. – 19 с. 3. Попель С. И., Спиридонов М. А., Жукова Л. А. Атомное упорядочение в расплавленных и аморфных металлах (по данным электронографии) //УГТУ, Екатеринбург. − 1997. – 121 c. Метод Энергия связи Разработанный метод 0,124 эВ эл. яч. Погруженного атома [13] 0,06 эВ/атом Модифицированный потенциал Морзе [14] 0,08 эВ/атом Потенциал Шоммерса [14] 0,088 эВ/атом Псевдопотенциалов [15] 0,075 эВ/атом Метод Сироты М. М. [16] 0,252 эВ эл. яч. Трехионное взаимодействие [17] 933К: 0,186 эВ/(3 атома) 1500К: 0,203 эВ/(3 атома) 2100К: 0,223 эВ/(3 атома) Таблица 1. Сравнение данных, полученных разработанным методом, с данными из различных литературных источников Таблица 2. Данные, полученные в результате вычислительного экспери- мента для алюминия Структура Eсв, эВ/эл. яч. Eсв ·1020, Дж/эл. яч. Тпревр, К расчетная литературная ГЦК (алюминий) 0,124 1,997 1139 ±20 1133±20 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 2 (110) 23 Получение и обработка расплавов 4. Скребцов А. М., Иванов Г. А., Петренко Д. И. Структурные превращения в алюминиевом расплаве в зависимости от режимов температурно-временной обработки // Труды Одес- ского политехнического университета. − 2005. − № 2 . – С. 75-78. 5. Френкель Я. И. Введение в теорию металлов. Под ред. академика С. В. Вонсовского. − 4-е изд. − Л.: Наука. − 1972. − 424 с. 6. Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е. Кинетическая теория прочности твердых тел // УФН. – 1972. – С. 193-228. 7. Бахарева И. Ф. Нелинейная неравновесная термодинамика. − Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1976. – 141 с. 8. Глебовский П. А., Петров Ю. А. Кинетическая трактовка структурно-временного критерия разрушения //Физика твердого тела. – 2004. – Т. 46. – Вып. 6. – С. 1021-1024. 9. Шеннон К. Э. Работы по теории информации и кибернетике. − М.: ИЛ, 1963. – 829 с. 10. Ландау Л. Д. Собрание трудов. − М.: Наука, 1969. − Т. I. – 512 с. 11. Ганкин В. Ю., Ганкин Ю. В. Общая химия XXI век // СПб.: Химиздат, 2002. – 328 с. 12. Физическое материаловедение. Физика твердого тела. Под. ред. Б. А. Калина. − М.: Московский инженерно-технический институт, 2007. – Т. 1. − 306 с. 13. Руденко А. Н., Мазуренко В. Г., Кислов А. Н. Моделирование динамики решетки икосаэ- дрического квазикристалла Al-Cu-Fe // Физика твердого тела. − 2007. – Т. 49. − № 2. – С. 342-345. 14. Сдобняков Н. Ю. Исследование удельной свободной поверхностной энергии нанокапель алюминия с использованием потенциала Шоммерса // Журнал структурной химии. − 2009. – Т. 50. − № 6. – С.1223-1228. 15. Чудинов В. Г. Кооперативный механизм самодиффузии в металлах // ЖТФ. − 2000. – Т. 70. − № 7. – С.133-135. 16. Сирота Н. Н. Энергия связи, фононные спектры и термодинамические свойства элементов со структурами А1, А2, А3, А4 – Al, Cu, V, Ti, Mg, Si, Sn //Физика твердого тела. − 2001. – Т. 43. − № 9. – С. 1674-1679. 17. Василиу Е. В. Трехионные взаимодействия и структура жидких металлов // Труды Одес- ского политехнического университета. − 2001. – № 1. – С. 35-42. Поступила 18.12.2014 Вниманию авторов! Статьи, поступающие в редакцию, должны иметь аннотации и ключевые слова на русском, украинском и английском языках. Объем статьи — не более 10 стр., рисунков — не более 5. Статьи подаются как на бумажном, так и электронном носителях. Для текстовых материалов желательно использовать формат doc. Для графи- ческих материалов — формат jpeg. Графические материалы необходимо сохранять в отдельных файлах. Фотографии, рисунки, графики и чертежи должны быть черно-белыми, четкими и контрастными. Статьи в редакции проходят научное рецензирование.

Прогнозирование условий фазовых переходов II рода в жидкометаллической системе

Репозитарії

Схожі ресурси