У Вас есть удачное изобретение?

Публикуйте концепцию и возможно инвестор заметит Вас!

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ

МАКРОНЕРАВНОВЕСНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОРАСПЛАВОВ

27-02-2016

Процесс создание сталей и сплавов с оптимальными механическими и физико-химическими характеристиками предполагает наличие аналитических моделей определенного класса, описывающих процессы затвердевания исходных металлорасплавов. Достоверность таких, как правило, полуэмпирических моделей зависит от правильно заданных начальных и граничных условий течения физико-химических процессов, вида функциональных зависимостей и их параметрической наполняемости. Критерием качества металлофизических математических моделей является их прогностический потенциал. Он выражается в адекватности апостериорной феноменологии рекристаллизационных процессов расчетным значениям, следующим из применения соответствующих модельных механизмов. В настоящей работе предлагается новая модель квазиравновесной кристаллоаморфной кристаллизации /КРАК/, применяемая к описанию метастабильных синергетических процессов уникального явления - электротоковой импульсной обработки /ЭТИО/ затвердевающих расплавов по методу академика Дмитрия Ивановича Корнеева [2-4].

Первоначальный этап функционального построения и последующего опосредования модели КРАК включал широкое использование методов осреднения. При этом учитывались специфические структурно-фазовые эволюции агрегатного состояния металлорасплава, происходящие в ходе циклов ЭТИО Корнеева. При последовательном зональном переходе от ликвидуса к солидусу, можно выделить собственно жидкий расплав, расплав с взвесью зародышевых субмикрокристаллитов, жидкокристаллический конгломерат, фазоравновесный эквилибриум, аморфизированный поликристаллит и мембранно-микропористый первично затвердевший металл. Модельные начальные условия в затвердевающем металле на неактивном этапе ЭТИО Корнеева зависят от термо-гравитационной конвекции, гомо- и гетерогенной диффузии, топологии распределенных термополей и термодинамики теплообмена. С другой стороны все основные модельные процессы переноса в металлорасплаве можно рассматривать с точки зрения термодинамики необратимых процессов. Исходная система безразмерных уравнений будет содержать баланс энтальпии, концентрации агрегатных фаз и векторного распределения скоростей флюенсов металлорасплава. Модельное отражение перечисленных физических факторов и корректный ввод гранично-начальных условий развития процесса ЭТИО Корнеева, делают предлагаемую модель важной составной частью более общей теории квазиравновесного метациклического затвердевания [3]. Это особенно важно для сталей и сплавов с широким интервалом кристаллизации. Следует отметить, технологическое значение введенных модельных представлений, так на их основе можно построить дополнительные алгоритмы идентификации конфигурационного расположения открытых и закрытых усадочных раковин в рекристаллизованном металле. При этом методы расчета основываются на использовании интегральных уравнений баланса масс с входными данными в виде развернутого во времени пространственного поля концентрации твердой фазы [1].

Экспериментальные исследования процессов ЭТИО Корнеева показали, что в их основе лежат специфические формы ячеисто–дендритной кристаллизации, сопровождаемой диффузионно – лимитируемыми перетектическими переходами. Кинетические закономерности таких неравновесно - ликвационных процессов можно рассматривались в терминах диффузии на различных уровнях масштабирования. В этом случае примесная миграция будет описываться системой стандартных дифференциальных уравнений баланса для среднеобъемных концентрационных профилей. Подобный массоперенос тесно связан с локальным концентрационным переохлаждением в ходе рассеивания гидродинамических колебаний. При этом волновые пакеты деструктируют развитые дендриты путем воздействия перепадов гидродинамических давлений, сопровождаемых термоволновым подплавлением. Синхронность воздействия подобных разнородных факторов зависит от частотно-фазовых характеристик ЭТИО.

Критериальные оценки эффективности теории КРАК основываются на прогнозируемости термодиффузионной кинетикой метациклических квазихимических реакций на поверхности раздела агрегатных фаз. Полипараметрическая идентификация фазового термобаланса на основе диффузионно-лимитируемых процессов позволяет связать скорость КРАК с произведением разности термоградиентов и концентрацией кристаллоаморфных мезофаз /КАМФ/. Очевидно, что существует определенная взаимосвязь между структурой затвердевшей металломатрицы и частотой метациклической осцилляции границ затвердевания КАМФ. Данные КАМФ играют важную роль в матрично-структурирующих эффектах ЭТИО Корнеева, образовывая квазиаморфизированную фрагментарную решетку с элементами гидроморфной структуры в виде частичноупорядоченных аморфных фракталов. Образующаяся субструктура бездендритного металла обладает новым кристаллографическим параметром – “средним порядком “ дислоцирования аморфизированных микрополикристаллитов. Формирование КАМФ начинает происходить на границе ликвидуса и определяется термодиссипацией электромагнитной энергии разряда с генерацией гидродинамических колебаний [4].

Метастабильный термобаланс в зонах эвтектических фазовых переходов можно записать следующим образом [5]:

K(s) - K(l) = N(sl) Q U(sl), (1)

где K(s), K(l) – фазовые коэффициенты теплопроводности; , - агрегатно-фазовые термоградиенты; N(sl) – плотность КАМФ; Q – удельная теплота кристаллизации; U(s) - скорость формирования первичной КАМФ в приближении однозначных химических потенциалов будет иметь вид:

U(sl) = const n l(s) exp (F/kT) /exp (E/kT*), (2)

где n – концентрация металлоинов в первичнозатвердевшем расплаве; l(s) – эквидистанция периода кристаллизации; F – свободная энергия фазовых превращений; Е – энергия кристаллизации; kT – термодинамическая температура; Т* - температура фазового перехода. Уравнениям (1) – (2) соответствуют следующие квазихимические реакции:

{ I(pl) } + + M(s) + D => { I(pl) }* + + M(sl) + D*, (3)

составляющие процессы особого неравновесного затвердевания металлов с последующей квазипериодической рекристаллизацией под воздействием серий сверхмощных электроимпульсов, подаваемых с определенной частотой. Высокоэнергетический разряд в кристаллизующимся металле порождает целую группу гетерогенных синергетических реакций физико-химической природы, подобных (3). Их феноменологическая интерпретация основывается на плазмогидродинамической аналогии коллапсионного схлопывания канала ствола разряда в плотно-упругой проводящей среде жидкого металла. Термобаланс для КАМФ составит [6]:

Const [ dU(T)/dl + U(sl) U(T) ] ~ dT, Const = a(s) b c(s) l(s) N(sl), (4)

где a(s), b, c(s) – коэффициенты температуропроводности, теплоотдачи и теплоемкости; U(T) – скорость распространения термоволн.

Следует учитывать, что неординарное течение ЭТИО Корнеева связано с квазипериодическим лидер-стримерным слиянием и временно-степенным ростом плотности тока в стволе разряда при экспоненциальном увеличении внутреннего давления плазмы. При этом испарение расплава вдоль осевой линии канала сверхмощного электроимпульса образовывает цилиндрическую область перегретой плазмы, взрывообразно расширяющейся в окружающую среду и формирующую фронт гидродинамических колебаний. При переходе ударных гидродинамических волн через зону эквилибриума ликвидус-солидус вторичные гидродинамические колебания распространяются по сужающимся междендритным капиллярам.

Течение жидкого металла создает локальные перепады плотности среды, аналогичные т.н. “гидравлическим прыжкам” и деструктирующие ветви развитых дендритов при немонотонном росте относительной силы давления. При наблюдении эффекта ЭТИО Корнеева среди всех видов перемешивания расплава доминирует электромагнитная и гидродинамическая конвекция. В этом случае основное уравнение потока термической энергии вблизи границ КААМФ будет иметь вид:

dT/dt = a(l) grad2T – U(sl) dT/dl. (5)

Важнейшей частью метода ЭТИО Корнеева является корреляционная синхронизация частоты следования электротоковых импульсов с длительностью формирования микрокристаллитных ступеней. Соответствующая феноменологическая модель явления ЭТИО Корнеева имеет сложную

аналитическую форму в виде следующей функциональной зависимости:

U(sl) t* = F{ [ E x H ], W, N(l), N(sl), m, T }, (6)

где t* – длительность цикла ЭТИО Корнеева; Е, Н – параметры суперпозиционного электромагнитного поля; W – конвертационно-диссипированная энергия; N(l) – плотность металлорасплава; m – магнитная проницаемость. Очевидно, что соотношение (6) должно содержать в неявном виде функционал электромагнитодинамических пондемоторных сил:

Р = Р{ Δ[ H( H*, H** ), r, t ] }, (7)

где r – координационно-полевой угол; Н*, Н** - гетеро- и гомогенные магнитные поля. Формула (7) соответствует ортогональной скорости движения носителей заряда к суперпозиционному магнитному полю. Подобное движение для плазмы индуцирует электродвижущую силу, пропорциональную скорости и полевым потенциалам. Реальная эмпирическая картина топологического перераспределения моментов экстериорных и интериорных сил усложняется при возникновении радиальных электродинамических сил кольцевых токов. Их учет показывает, что токовые макроплазмонные шнуры будут изгибаться и растягивать тороидальные витки под действием внутреннего давления и пондемоторных составляющих, обусловленных различием напряженности продольного магнитного поля в различных точках потока плазмы. Первичные реакции связаны с механизмами формирования каналов электротокового импульса. Металлорасплав при этом является квазиравновесной аморфной фазой с тенденцией к кристаллизации, путем гомогенных бездиффузионных структурно-фазовых превращений. На следующем этапе вторичный поток носителей рассеивается на взвеси микрокристаллитных конгломератов в области эквилибриума: ликвидус-солидус. Это сопровождается термоконвертацией электромагнитной энергии разряда и генерацией динамических термонеустойчивостей. Заключительная стадия ЭТИО Корнеева характеризуется рекомбинационной релаксацией волн зарядной плотности и термальной энергии на первично кристаллизованной металломатрице. Процесс завершается мало изученной рекристаллизацией с реализацией дендритно-вырожденных субмикрополикристаллитных модификаций плотноупакованных полиэдров [4-6].

Суммируя сказанное, отметим, что кристаллографические аспекты новой теории КРАК, в применении к явлению ЭТИО Корнеева, сводятся к диффузионному лимитированию неравновесных ликвационных процессов на микро - и макроуровнях. Сложный характер изоконцентрат при ЭТИО Корнеева затрудняет решение стандартных концентрационных уравнений баланса агрегатных фаз в зоне эквилибриума: ликвидус-солидус. В первом приближении теория КРАК показывает, что типология дисперсности квазидендритных образований зависит от величины пограничных термоградиентов и интенсивности набегающих термоволн. В стабилизированном состоянии металлорасплава, без ЭТИО Корнеева, это проявляется в росте ликвационных шнуров вблизи границы фазового перехода. Здесь механизм образования твердой фазы можно рассматривать, как акт саморегуляции рассогласованных температурных и концентрационных полей за фронтом сплошной кристаллизации. Последующее включение факторов ЭТИО Корнеева метаморфизирует квазиравновесные теплокинетические процессы КРАК и активирует механизмы деструкции дендритных образований [5-7].


Другие статьи по теме:
 МАКРОНЕРАВНОВЕСНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОРАСПЛАВОВ
 ВНУТРИКЛЕТОЧНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ФОРМИРОВАНИЯ НАТИВНОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ БЕЛКОВ
 КАТАЛИТИЧЕСКИЕ АНТИТЕЛА
 ЧЕРНОБЫЛЬСКАЯ АВАРИЯ
 ДВОЙНАЯ СПИРАЛЬ

Добавить комментарий:
Введите ваше имя:

Комментарий:

Защита от спама - введите символы с картинки (регистр имеет значение):

Популярные услуги:

  • Ранжирование проектов в России и за рубежом

    Содействие в участии в зарубежных выставыках и конференциях: от подачи завки и подготовки рекламного материала до самого проведения. Подбор кадров для представительств зарубежных компаний и организаций.

    К услуге

  • Продвижение Ваших проектов и помощь бизнесу

    Любые Ваши коммерческие идеи мы превратим в логически законченный, наглядно оформленный документ (бизнес-план), который можно преподнести инвесторам и партнерам..

    К услуге

Подпишитесь на новости:

И на вашу почту всегда будут приходить только самые интересные и отбрные новости нашего проекта.

подписка:

* В данный момент новости возможно получать только по каналу RSS

НАВЕРХ