Особливості контактної взаємодії кристалічних та квазікристалічних фаз з розплавленими металами

Проаналізовано процеси контактної взаємодії квазікристалічних та кристалічних фаз сплавів Al—Co—Cu і Al—Co—Ni з розплавами на основі міді або алюмінію. Меншу швидкість розчинення квазікристалічної декагональної фази в розплавах порівняно з кристалічними пояснено з урахуванням формалізму теорії сильн...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2018
Автори:	Сухова, О.В., Сироватко, Ю.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України 2018
Назва видання:	Адгезия расплавов и пайка материалов
Теми:	Контактное взаимодействие твердых тел на границе с твердыми и жидкими фазами
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160560
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:	Особливості контактної взаємодії кристалічних та квазікристалічних фаз з розплавленими метала / О.В. Сухова, Ю.В. Сироватко // Адгезия расплавов и пайка материалов. — 2018. — Вып. 51. — С. 48-53. — Бібліогр.: 8 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-160560
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1605602019-11-10T01:25:58Z Особливості контактної взаємодії кристалічних та квазікристалічних фаз з розплавленими металами Сухова, О.В. Сироватко, Ю.В. Контактное взаимодействие твердых тел на границе с твердыми и жидкими фазами Проаналізовано процеси контактної взаємодії квазікристалічних та кристалічних фаз сплавів Al—Co—Cu і Al—Co—Ni з розплавами на основі міді або алюмінію. Меншу швидкість розчинення квазікристалічної декагональної фази в розплавах порівняно з кристалічними пояснено з урахуванням формалізму теорії сильно анізотропних кристалів. За допомогою моделі Дебая знайдено вирази для вільної енергії, ентропії, внутрішньої енергії та теплоємності квазікристалічної і кристалічної фаз. Менша розчинність квазікристалічної фази зумовлена зі зменшенням середньої геометричної частоти коливань її атомів, оскільки надлишкова енергія цієї фази розподіляється між більшою кількістю ступенів вільності. Проанализированы процессы контактного взаимодействия квазикристаллических и кристаллических фаз сплавов Al—Co—Cu и Al—Co—Ni с расплавами на основе меди или алюминия. Более низкую скорость растворения квазикристаллической декагональной фазы по сравнению с кристаллическими фазами можно объяснить с учетом формализма теории сильно анизотропных кристаллов. С помощью модели Дебая получены выражения для свободной энергии, энтропии, внутренней энергии и теплоемкости квазикристаллической и кристаллической фаз. Меньшая растворимость квазикристаллической фазы обусловлена уменьшением средней геометрической частоты колебаний ее атомов в связи с тем, что избыточная энергия этой фазы распределяется между бóльшим количеством степеней свободы. The contact interaction of quasicrystalline and crystalline phases of Al—Co—Cu and Al—Co—Ni alloys with copper- or aluminum-based melts was analyzed in this work. The lower dissolution rate of the quasicrystalline decagonal phase as compared to that of crystalline one is explained considering the formality of high anisotropic crystals theory. The expressions for free energy, entropy, internal energy, and heat capacity of the quasicrystalline and the crystalline phases are obtained based on the Debye model. The slower dissolution of the quasicrystalline phase relates to the reduction of an average geometric vibration frequency of its atoms due to the distribution of excess energy of the quasicrystals among the larger quantity of freedom degrees. 2018 Article Особливості контактної взаємодії кристалічних та квазікристалічних фаз з розплавленими метала / О.В. Сухова, Ю.В. Сироватко // Адгезия расплавов и пайка материалов. — 2018. — Вып. 51. — С. 48-53. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. 0136-1732 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160560 532.64:669.046 uk Адгезия расплавов и пайка материалов Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Контактное взаимодействие твердых тел на границе с твердыми и жидкими фазами Контактное взаимодействие твердых тел на границе с твердыми и жидкими фазами
spellingShingle	Контактное взаимодействие твердых тел на границе с твердыми и жидкими фазами Контактное взаимодействие твердых тел на границе с твердыми и жидкими фазами Сухова, О.В. Сироватко, Ю.В. Особливості контактної взаємодії кристалічних та квазікристалічних фаз з розплавленими металами Адгезия расплавов и пайка материалов
description	Проаналізовано процеси контактної взаємодії квазікристалічних та кристалічних фаз сплавів Al—Co—Cu і Al—Co—Ni з розплавами на основі міді або алюмінію. Меншу швидкість розчинення квазікристалічної декагональної фази в розплавах порівняно з кристалічними пояснено з урахуванням формалізму теорії сильно анізотропних кристалів. За допомогою моделі Дебая знайдено вирази для вільної енергії, ентропії, внутрішньої енергії та теплоємності квазікристалічної і кристалічної фаз. Менша розчинність квазікристалічної фази зумовлена зі зменшенням середньої геометричної частоти коливань її атомів, оскільки надлишкова енергія цієї фази розподіляється між більшою кількістю ступенів вільності.
format	Article
author	Сухова, О.В. Сироватко, Ю.В.
author_facet	Сухова, О.В. Сироватко, Ю.В.
author_sort	Сухова, О.В.
title	Особливості контактної взаємодії кристалічних та квазікристалічних фаз з розплавленими металами
title_short	Особливості контактної взаємодії кристалічних та квазікристалічних фаз з розплавленими металами
title_full	Особливості контактної взаємодії кристалічних та квазікристалічних фаз з розплавленими металами
title_fullStr	Особливості контактної взаємодії кристалічних та квазікристалічних фаз з розплавленими металами
title_full_unstemmed	Особливості контактної взаємодії кристалічних та квазікристалічних фаз з розплавленими металами
title_sort	особливості контактної взаємодії кристалічних та квазікристалічних фаз з розплавленими металами
publisher	Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
publishDate	2018
topic_facet	Контактное взаимодействие твердых тел на границе с твердыми и жидкими фазами
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160560
citation_txt	Особливості контактної взаємодії кристалічних та квазікристалічних фаз з розплавленими метала / О.В. Сухова, Ю.В. Сироватко // Адгезия расплавов и пайка материалов. — 2018. — Вып. 51. — С. 48-53. — Бібліогр.: 8 назв. — укр.
series	Адгезия расплавов и пайка материалов
work_keys_str_mv	AT suhovaov osoblivostíkontaktnoívzaêmodííkristalíčnihtakvazíkristalíčnihfazzrozplavlenimimetalami AT sirovatkoûv osoblivostíkontaktnoívzaêmodííkristalíčnihtakvazíkristalíčnihfazzrozplavlenimimetalami
first_indexed	2025-07-14T13:09:59Z
last_indexed	2025-07-14T13:09:59Z
_version_	1837627972476993536
fulltext	ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2018. Вып. 51 48 Р а з д е л II КОНТАКТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ НА ГРАНИЦЕ С ТВЕРДЫМИ И ЖИДКИМИ ФАЗАМИ УДК 532.64:669.046 О. В. Сухова, Ю. В. Сироватко* ОСОБЛИВОСТІ КОНТАКТНОЇ ВЗАЄМОДІЇ КРИСТАЛІЧНИХ ТА КВАЗІКРИСТАЛІЧНИХ ФАЗ З РОЗПЛАВЛЕНИМИ МЕТАЛАМИ Проаналізовано процеси контактної взаємодії квазікристалічних та кристалічних фаз сплавів Al—Co—Cu і Al—Co—Ni з розплавами на основі міді або алюмінію. Меншу швидкість розчинення квазікристалічної декагональної фази в розплавах порівняно з кристалічними пояснено з урахуванням формалізму теорії сильно анізотропних кристалів. За допомогою моделі Дебая знайдено вирази для вільної енергії, ентропії, внутрішньої енергії та теплоємності квазікристалічної і кристалічної фаз. Менша розчинність квазікристалічної фази зумовлена зі зменшенням середньої геометричної частоти коливань її атомів, оскільки надлишкова енергія цієї фази розподіляється між більшою кількістю ступенів вільності. Ключові слова: контактна взаємодія, розчинення, кристалічна і квазікристалічна фази, розплавлені метали, теплоємність. Вступ Квазікристалічні сплави Al—Co—Cu і Al—Co—Ni мають унікальні механічні та експлуатаційні властивості, такі як висока твердість, стійкість до корозії та окиснення, зносостійкість, низький коефіцієнт тертя та інші. Однак через підвищену крихкість перспективним є практичне застосування цих сплавів як наповнювачів макрогетерогенних * О. В. Сухова — доктор технічних наук, професор кафедри експериментальної фізики та фізики металів Дніпровського національного університету ім. Олеся Гончара; Ю. В. Сироватко ― кандидат фізико-математичних наук, провідний фахівець лабораторії екологічної безпеки та якості продукції Інституту охорони ґрунтів України цієї ж установи.  О. В. Сухова, Ю. В. Сироватко, 2018 ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2018. Вып. 51 49 композиційних матеріалів, отриманих методом пічного просочення [1, 2]. Під час отримання композиційних матеріалів квазікристалічні фази наповнювача розчиняються в розплавлених металевих зв’язках на основі міді або алюмінію з меншою швидкістю, ніж кристалічні. На границях поділу між наповнювачем та затверділою зв’язкою утворюються зони контактної взаємодії розчинно-дифузійного типу. Як відомо, якщо процес розчинення визначається швидкістю переходу атомів через міжфазну границю поділу розчинно-дифузійного типу, вплив структури твердої фази на характер і швидкість процесів розчинення в розплавлених металах зумовлен зменьшенням середньої геометричної частоти коливань атомів ϖ твердої фази [3—5]. У свою чергу, від ϖ залежить вільна енергія фази. А це означає, що середня геометрична частота коливань, а отже, й інтенсивність процесів контактної взаємодії твердих фаз із розплавами будуть залежати від їх теплоємності. Тому в роботі із залученням моделі сильно анізотропних кристалів проаналізовано процеси контактної взаємодії між кристалічними або квазікристалічними фазами та розплавленими металами з метою пояснення різної швидкості розчинення цих фаз у розплавах. Результати та їх обговорення Середню геометричну частоту ϖ коливань атомів твердої фази, що розчиняється в розплавленому металі, для температур, набагато більших за температуру Дебая θ, можна визначити з виразу [6] NC PV e 0 0 λ ϖϖ = , (1) де λ — коефіцієнт теплового розширення; V0 — об’єм фази; Р — тиск; С — теплоємність на одну кристалічну або квазікристалічну комірку; N — кількість атомів. Під час взаємодії твердої фази з розплавом немає значних варіацій тиску, а відтак можна зробити висновок про наявність лінійної залежності між теплоємністю і коефіцієнтом теплового розширення [6]. Виходячи з цих припущень, можна оцінити середню геометричну частоту коливань атомів у виразі (1). Кристалічну та квазікристалічну фази можна розглядати як шаруваті структури, між шарами яких існує взаємодія. У таких структурах наявні як коливання у самих шарах з частотами ω1,2 (основна компонента коливальних процесів атомів), так і коливання шарів один відносно одного з частотою ω3. Також наявні коливання вигинів самих шарів з груповою швидкістю γ. Відповідно до цих уявлень дисперсію частот у трьох гілках спектра звукових хвиль можна виразити наступними формулами [5, 6]: 22 3 22 2,1 2 2,1 zkuU +χ=ω , 4222 4 22 3 2 3 χγ++χ=ω zkuu ; (2) де χ — коефіцієнт жорсткості у площині ( )222 yx kk +=χ ; kx, ky, kz — відповідні хвильові вектори; U1, U2, u3, u4 — швидкості звукових хвиль, ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2018. Вып. 51 50 зумовлених коливаннями атомів, а саме U1, U2 — коливаннями у площині шарів, u3 — коливаннями зсуву шарів один відносно одного, а також вигинів шарів, u4 — коливаннями відносної відстані між шарами. Причому U1, U2 >> u3, u4. Будемо вважати, що U1 ∼ U2, u3 ∼ u4, і введемо позначення для малого відношення η ∼ u/U, яке характеризує відносну величину енергії зв’язку між атомами в одному шарі. Крім того, введемо до розгляду найбільшу з дебаєвських температур mω=θ h , де ωm ≈ U/a — гранична частота жорстких коливань (а — стала ґратки). Гранична частота хвиль вигину буде того ж самого порядку, що і ωm. Це означає, що коефіцієнт γ пов’язаний із поперечною жорсткістю шарів: γ ≈ ωma. З урахуванням внеску від звукових коливань за умови, характерної для високих температур 2γχh << Т, де γχ2 max = ω3max, вільна енергія F кристалічної фази визначається за формулою [6]       − ω χπ=χπ− ω χπ= T e TT T TF lnln4ln4 max32 max 2 max max32 max hh . (3) Для ентропії T F S ∂ ∂−= можна записати TS ln48ln4 2 max 2 maxmax3 2 max πχ+πχ+ωπχ−= h , (4) а для внутрішньої енергії — 2 max4 χπ=+= TTSFE . (5) Тоді для теплоємності кристалічної фази отримаємо вираз 2 max max3 4πχ= γ πω = h C , (6) що нагадує наближення Дюлонга і Пті. Це дозволяє припустити, що теплоємність кристалічної фази не залежить від температури і визначається тільки коефіцієнтами жорсткості у площині dxdy, тобто χ. Такий висновок справедливий у разі значного послаблення зв’язків між шарами кристалічної фази під дією розплавленого металу, що зумовлює прояв залежностей відповідно до закону Дюлонга і Пті та досягнення граничних частот ϖ, за яких відбувається розчинення. Анізотропія квазікристалічної декагональної фази, присутньої у структурі сплавів Al—Co—Cu і Al—Co—Ni, проявляється у відмінності дисперсійних законів у площині xy і в напрямку z. У площині xy диспер- сійний закон представлений квадратичною залежністю ( )222 yx kk +=χ , а у напрямку z має лінійну залежність (≈const kz). Для гілки ω3 можна записати 42222 3 χγ+=ω zz ku . (7) У цьому випадку для вільної енергії F можна отримати вираз [7]       +−+−− γπ = 2 3322 2 2 80 1 24 1 6 1 2 3 lnln 2 T L T L LTTTLT u VL F hh hh . (8) ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2018. Вып. 51 51 Ентропія системи має вигляд       +−++− γπ = ∂ ∂−= 3 3 3 2 22 2 2 80 2 48 1 2 5 lnln 2 L TT L TL u VL T F S hh h . (9) Відповідно для внутрішньої енергії можна записати       +−+ γπ =+= 2 3322 2 2 80 3 12 1 6 1 2 T L T L LT u VL TSFE hh h . (10) Тоді для теплоємності отримаємо       θ−θ+= 3 3 2 2 40 3 12 1 13 TT RCV . (11) Вираз (11) складається з трьох членів, два з яких залежать від температури і мають різні знаки. Це можна пояснити “надлишковою” теплоємністю квазікристалів у певному інтервалі температур [7], наяв- ність якої підтверджують експериментальні дослідження [8]. Причому ця характеристика суттєво залежить від узагальненої температури Дебая. Таким чином, для теплоємності квазікристалічних фаз можна прогнозувати відхилення від величини 3R — закону Дюлонга і Пті. Теплоємність у діапазоні температури взаємодії з розплавами складає ∼28,4 Дж/моль⋅К, що перебільшує рівень Дюлонга і Пті ∼25 Дж/моль⋅К. Значення теплоємності CV для квазікристалічної фази більші, ніж для кристалічних фаз. Завдяки ”надлишковій“ теплоємності цієї фази її енергія розподіляється між більшою кількістю ступенів вільності, ніж у випадку кристалічних фаз. Тому середня геометрична частота коливань атомів цієї фази буде меншою. Це пояснює зменшення швидкості розчинення та стійкість квазікристалічної декагональної фази сплавів Al—Cu—Co і Al—Ni—Co порівняно з кристалічними фазами під час взаємодії з розплавленими металами. Крім того, для квазікристалічної фази характерні значно нижчі значення поверхневого натягу порівняно з кристалічними фазами. Це, у свою чергу, обумовлює низьку змочуваність цієї фази розплавами та збереження зв’язків між шарами анізотропної структури. Висновки Проведений аналіз дозволяє зробити висновок про те, що під дією розплавлених металів зв’язки між шарами анізотропної структури квазікристалічної декагональної фази в сплавах Al—Co—Cu і Al—Co—Ni порушуються неповністю. Цей результат пов’язаний з феноменом надлишкової теплоємності квазікристалічної фази. Надлишкова теплоєм- ність у відповідності до закону рівнорозподілу енергії розподіляється між більшим числом ступенів вільності, ніж у випадку кристалічних фаз. Тим самим досягається зменшення середньої геометричної частоти коливань атомів квазікристалічної фази та зниження швидкості її розчинення в розплавах порівняно з кристалічними фазами. ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2018. Вып. 51 52 РЕЗЮМЕ. Проанализированы процессы контактного взаимодействия квазикристаллических и кристаллических фаз сплавов Al—Co—Cu и Al—Co—Ni с расплавами на основе меди или алюминия. Более низкую скорость растворения квазикристаллической декагональной фазы по сравнению с кристаллическими фазами можно объяснить с учетом формализма теории сильно анизотропных кристаллов. С помощью модели Дебая получены выражения для свободной энергии, энтропии, внутренней энергии и теплоемкости квазикристаллической и кристаллической фаз. Меньшая растворимость квазикристаллической фазы обусловлена уменьшением средней геометрической частоты колебаний ее атомов в связи с тем, что избыточная энергия этой фазы распределяется между бóльшим количеством степеней свободы. Ключевые слова: контактное взаимодействие, растворение, кристаллическая и квазикристаллическая фазы, расплавленные металлы, теплоемкость. 1. Суховая Е. В. Структурообразование границ раздела в композиционных материалах, армированных квазикристаллическим сплавом-наполнителем Al—Co—Cu / Е. В. Суховая, Ю. В. Сыроватко // Адгезия расплавов и пайка материалов. — 2014. — Вып. 47. — С. 58—65. 2. Суховая Е. В. Структурный подход к созданию износостойких композиционных материалов // Сверхтвердые материалы. — 2013. — № 5. — С. 29—38. 3. Никитин В. И. Физико-химические явления при воздействии жидких металлов на твердые. — М. : Атомиздат, 1967. — 442 с. 4. Найдич Ю. В. Поверхностные свойства расплавов и твердых тел и их использование в материаловедении / [Ю. В. Найдич, И. А. Лавриненко, Г. А. Колесниченко, В. С. Журавлев]. — Киев : Наук. думка, 1991. — 280 с. 5. Ландау Л. Д. Статистическая физика / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. — М. : Наука, 1976. — 584 с. 6. Сыроватко Ю. В. Структурообразование композиционных материалов, упрочненных квазикристаллами / Ю. В. Сыроватко, Е. В. Суховая // Вісник Дніпропетровського університету. Ракетно-космічна техніка. — 2013. — 21, № 4. — С. 113—121. 7. Sukhova O. V. Temperature dependence of decagonal quasicrystals heat capacity / O. V. Sukhova, Y. V. Syrovatko // J. Phys. Electronics. — 2018. — 26 (1). — P. 35—38. 8. Прекул А. Ф. Сравнительное исследование теплоемкости икосаэдрических квазикристаллов в твердом и жидком состояниях / [А. Ф. Прекул, Н. И. Щеголихина, А. Б. Гайдученко, К. И. Грушевский] // Физика тв. тела. — 2011. — 53, № 10. — С. 1885—1888. Надійшла 12.10.18 ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2018. Вып. 51 53 Sukhova O. V., Syrovatko Yu. V. Peculiarities in contact interaction of crystalline and quasicrystalline phases with molten metals The contact interaction of quasicrystalline and crystalline phases of Al—Co— Cu and Al—Co—Ni alloys with copper- or aluminum-based melts was analyzed in this work. The lower dissolution rate of the quasicrystalline decagonal phase as compared to that of crystalline one is explained considering the formality of high anisotropic crystals theory. The expressions for free energy, entropy, internal energy, and heat capacity of the quasicrystalline and the crystalline phases are obtained based on the Debye model. The slower dissolution of the quasicrystalline phase relates to the reduction of an average geometric vibration frequency of its atoms due to the distribution of excess energy of the quasicrystals among the larger quantity of freedom degrees. Keywords: contact interaction, dissolution, crystalline and quasicrystalline phases, molten metals, heat capacity.

Особливості контактної взаємодії кристалічних та квазікристалічних фаз з розплавленими металами

Репозитарії

Схожі ресурси