ВОЗДЕЙСТВИЕ СВЕРХВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНЫХ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСОВ НА МЕТАЛЛОРАСПЛАВЫ

Воздействие сверхвысокоэнергетических электроимпульсов на кристаллизующиеся расплавы различных сталей и сплавов кардинальным образом меняет структурные свойства возникающих соединений. Впервые это уникальное явление всесторонне исследовалось академиком Дмитрием Ивановичем Корнеевым при создании им новых методов сварки и переплава [1-3]. В ходе разнообразных остроумных экспериментов им был открыт целый ряд новые электрометаллофизических эффектов, полностью изменивших наши представления о методологии варьирования решеточной микроструктуры и свойств рекристаллизованных металлов. Среди исследованных физических явлений в затвердевшей металломатрице выделяются, по своему практическому значению, механоупрочняющий и антикоррозиционный эффекты Корнеева. При этом академиком Д. И. Корнеевым была успешно решена задача технологического совмещения двух различных физических процессов – электрошлаковой сварки и термоциклического отжига. Научно-прикладные аспекты явления электротоковой импульсной обработки /ЭТИО/ металлорасплавов в режимах сверхвысоких энергий по методу академика Корнеева имеют фундаментальный характер и состоят в принципиальной возможности реструктуризации сложноконсистентных аморфнокристаллических решеток с приданием им необходимых физико-химических характеристик. В тоже время ЭТИО Корнеева решает и ряд специальных задач, позволяя получать сварные соединения с высокой стойкостью металла шва против механических и коррозионных разрушений без последующей термической обработки.

Несмотря на определенное количество публикаций /см. библиографии к [3-5]/ посвященных электрометаллофизическому эффекту Корнеева, некоторые стороны данного явления ещё не получили должного теоретического развития. Такое положение объясняется трудностями анализа многопараметрических синергетических моделей в их динамическом развитии при наличии группы трудноидентифицируемых факторов.

В настоящей работе рассматриваются отдельные электрофизические характеристики эффекта ЭТИО Корнеева, включающие элементы ранее предложенной [4-5] феноменологии прохождения сверхвысокоэнергетических импульсов тока через металлорасплавы различной фазовой консистенции. Введенные модельные представления основывались на коллективных механизмах генерации и рекомбинации ассоциированных носителей заряда – макроскопических квазиплазмонных образований. Подобные макроплазмонные носители могут эффективно инициировать возникновение метастабильных ионно-электронных каналов, генерирующих при релаксационном коллапсе гидродинамические колебания взрывного характера. Возникающие при этом фронтальные пакеты продольных колебаний плотности среды рассеиваются на полиуровневой структуре трансфазных конгломератов, определяя дальнейший ход реструктуризации решеточной металломатрицы.

Одним из основных характеристических параметров потока макроплазмонов является его спектральная интенсивность, как отношение рассматриваемой величины, взятой в бесконечно малом спектральном интервале к ширине этого интервала:

I(E) = ∫W (, ) npl (Epl) ne (Ee) dEpl dEe, (1)

где W(Epl, Ee) –вероятность формирования плазмонов, как коллективизированных квазичастиц, из флуктуаций электронно-ионной плазмы импульсного разряда; npl(Epl), ne(Ee) –концентрации макроквазиплазмонов и коллективизированных электронов, как носителей заряда в локальной области плазмотокового шнурования; , -характеристические энергии макроплазмонов и электронов, усредненные по дистанции свободного пробега.

Локальная концентрация коллективизированных электронов, формирующих квази-плазмонные образования, будет определяться следующим выражением:

N (Ee) = (const) (Ee - Ec)0,5 {1+exp[(Ee - Ec) (kT)-1]}-1, (2)

где Ec –энергетический порог формирования макроквазиплазмонов. Проводя подстановку соотношения (2) в формулу (1) и интегрируя в энергетических пределах, получим:

I(E) = (const)W(Epl, Ee) ∫(Epl - Ee) {1+ exp [( Epl - Ee) (kT)-1]}-1 p(Epl)dE, (3)

где p(Epl) –спектральная плотность возможных энергетических состояний квазиплазмонных образований.

Плотность энергетических состояний макроплазмонов при их метастабильной концентрации, с учетом ранее полученных результатов, будет составлять:

p (Epl) = nplp(Ee) {npl + Ncexp[(Epl - Ee) (kT)-1]}-1, (4)

где Nc –плотность возможных состояний носителей заряда при данной температуре. Таким образом, из рассмотренной модели следует, что импульсный разряд через энергетический барьер расплавленного металла сопровождается возникновением разветвленной структуры метастабильных электронно-ионно-плазмонных каналов разряда. Спектральная интенсивность носителей заряда в данных образованиях в самом общем виде описывается формулой (3), которая при учете соотношения (4) переходит в

(E) = (const)npl(npl + ne) ∫{(Epl - Ee)0,5 p(Epl - Ee) {1+exp[(Epl - Ee) (kT)-1]}-1}d(Epl - Ee). (5)

Полученная аналитическая форма модельного механизма квазиплазмонной генерации и релаксации нуждается в существенном уточнении по уровням возбуждения атомно-молекулярной системы металлорасплава. Для простейшего случая двухуровневой схемы из основного и возбужденного состояния справедливо следующее кинетическое уравнение:

dN’/dt = (N - N’)R - N’(R + Ar + An), (6)

где N,N’ –концентрационная заселенность основного и возбужденного состояния; R = Ф -скорость возбуждения электромагнитным разрядным импульсом, Ф –флюенс электромагнитной энергии, σ –сечение взаимодействия; Ar, An –скорости излучательного и безизлучательного распада возбужденного состояния, соответственно. Учитывая, что в основе ЭТИО Корнеева лежит квазигармоническое воздействие, модулированное функцией Ф=Ф0 [1+ exp(ωt)], решением уравнения (6) будет:

N’ = [NФ0σt (1+ ω2t2)-0, 5] exp [ωt - arctg (ωt)]. (7)

Следующим важным вопросом теории ЭТИО Корнеева является корректное описание генерации гидродинамических колебаний при коллапсионном схлопывании макроплазмонных каналов. В основе таких аналитических построений будет находиться неоднородное волновое уравнение, связывающее гидродинамическое давление p и его источник H:

grad2p - (const) d2p/dt2 = (const) dH/dt. (8)

Решения уравнения (8) позволяют вычислить термодинамическую энергию, выделившуюся к моменту времени t:

H(t) = WAn ΔtE’[1 - exp(-t/Δt)], (9)

где W –полное количество поглощенной электромагнитной энергии в процессе цикла ЭТИО Корнеева. Полученная аналитическая форма составляет существенную часть модельного механизма плазмонной генерации и релаксации при сверхвысоких энергиях электротокового импульса. Соотношения (2)-(5) описывают микроскопические параметры явления ЭТИО Корнеева в квазиплазмонном приближении, а уравнения (6)-(9) позволяют связать электромагнитные и гидродинамические эффекты.