Методика дослідження механізмів зародження кристалів у розплавах металів в залежності від їх обсягу та форми
DOI:
https://doi.org/10.15407/mom2025.02.047Ключові слова:
прозорі органічні середовища, розплав, температура перегріву, переохолодження, механізм зародження кристалів, швидкість зародкоутворення, структураАнотація
Робота присвячена дослідженню механізмів зародження кристалів у розплавах металів в залежності від їх форми та обсягу. Безпосереднє вивчення процесів, пов'язаних з розливкою металів та їх сплавів надзвичайно ускладнене тим, що вони є непрозорими та протікають за дуже високих температур. Тому у цій роботі застосований метод фізичного моделювання, в якому як об'єкти вивчення використані низькотемпературні (tпл. ≤ 70°С) металевий сплав Вуда та прозорі органічні середовища камфен та дифеніламін. Експерименти проведено на двох типах дослідних зразків: плоскі зразки невеликої товщини (δ = 0,2 мм) і об'ємні зразки більш великих обсягів в скляних пробірках (Ø 8 мм).
Плоскі зразки невеликої товщини були застосовані для виключення впливу об'ємних факторів на процес зародкоутворення у розплавах органічних середовищ. Невелика товщина шару розплаву та прозорість середовищ дозволяла візуально спостерігати процес їх кристалізації у часі та фотографувати. Швидкість зародкоутворення у розплавах визначали по кількісті кристалів, що з'явилися в кожний момент їх фіксації за відповідними фотографіями.
Для досліджень впливу об'ємних факторів на процес зародкоутворення у розплавах модельних середовищ були використані по три дослідні зразки для кожного об'єму в скляних пробірках. Для забезпечення абсолютної ідентичності умов плавлення та кристалізації модельних сплавів усі три дослідні зразки одночасно піддавали випробуванням. Величину переохолодження зразків, при якому у них відбувається зародження кристалів, визначали за характерними ознаками на температурній кривій їх охолодження – появі плато через виділення тепла кристалізації.
В результаті досліджень доведено, що швидкість утворення зародків у плоских зразках модельних середовищ безпосередньо залежить від активності поверхні стінок форми. А активність поверхонь стінок форм, у свою чергу, істотно визначається ступенем перегріву розплавів модельних середовищ над температурою ліквідуса та рівнем їх переохолоджень. В експериментах з об'ємними зразками встановлено, що залежність переохолодження (тобто швидкості утворення зародків) досліджених середовищ від їх перегріву, найімовірніше, обумовлена впливом таких факторів, як активність присутніх домішок, флуктуацій температур та щільності тощо.
Посилання
Ovsienko, D. E. (1994). Zarozhdenie i rost kristallov iz rasplava [Nucleation and growth of crystals from melt]. Naukova Dumka. [in Russian]
Abramov, A. A., Tkachenko, V. G., Shcheretskii, A. A., Maksimchuk, I. N., & Vovchok, A. S. (2014). Osobennosti pereokhlazhdeniya zhidkikh metallicheskikh splavov s razlichnym khimicheskim vzaimodeystviem komponentov [Features of undercooling in liquid metallic alloys with various chemical interactions]. Elektronnaia mikroskopiia i prochnost' materialov, (20), 52-64. [in Russian]
Jinku, Y., Qi, Q., Lian, L., Qihua, J., & Dongying, N. (2010). Investigation on the undercooling and crystallization of pure aluminum melt by DSC. Phase Transitions, 83(7), 543-549.
https://doi.org/10.1080/01411594.2010.499711
Mei, Q., & Li, J. (2016). Dependence of liquid supercooling on liquid overheating levels of Al small particles. Materials, 9(1), 7.
https://doi.org/10.3390/ma9010007
Yang, B., Perepezko, J. H., Schmelzer, J. W. P., Gao, Y., & Schick, C. (2014). Dependence of crystal nucleation on prior liquid overheating by differential fast scanning calorimeter. The Journal of Chemical Physics, 140, 104513.
https://doi.org/10.1063/1.4868127
Zhao, B., Li, L., Lu, F., Zhai, Q., Yang, B., Schick, C., & Gao, Y. (2015). Phase transitions and nucleation mechanisms in metals studied by nanocalorimetry: A review. Thermochimica Acta, 603, 2-23.
https://doi.org/10.1016/j.tca.2014.12.001
Uttormark, M. J., Zanter, J. W., & Perepezko, J. H. (1997). Repeated nucleation in an undercooled aluminum droplet. Journal of Crystal Growth, 177, 258-264.
https://doi.org/10.1016/S0022-0248(96)01121-9
Aleksandrov, V. D., & Frolova, S. A. (2004). Supercooling of In₂Bi and InBi melts. Inorganic Materials, 40(3), 227-230.
https://doi.org/10.1023/B:INMA.0000020519.80274.2f
Aleksandrov, V. D., & Frolova, S. A. (2014). Effect of the overheating of the gallium melt on its supercooling during solidification. Russian Metallurgy (Metally), 2014(1), 14-19.
https://doi.org/10.1134/S0036029514010042
Nuradinov, A. S., & Nakhaev, M. R. (2020). Protsessy kristallizatsii i formirovaniya struktury litykh zagotovok [Crystallization and structure formation of cast billets]. FGBOU VO CHGU. [in Russian]
Dymnych, A. Kh., & Korniets, I. V. (2016). Osnovy teorii podobiya i fizicheskogo modelirovaniya [Fundamentals of similarity theory and physical modeling]. Nash format. [in Russian]
Eronko, S. P., & Bykovskikh, S. V. (1998). Fizicheskoe modelirovanie protsessov vnepechnoi obrabotki i razlivki stali [Physical modeling of ladle metallurgy and steel casting]. Tekhnika. [in Russian]
Nuradinov, A. S., Nohovytsin, O. V., Honcharov, O. L., Nuradinov, I. A., Chystiakov, O. V., & Zubenina, N. F. (2024). Metodyka doslidzhennia vplyvu perehrivu na pereokholodzhennia metaliv ta yikh splaviv [Methodology for studying the effect of overheating on undercooling of metals and alloys]. Protsesy lytia, (3), 19-27. [in Ukrainian]
Folmer, M. (1986). Kinetika obrazovaniia novoi fazy [Kinetics of new phase formation]. Nauka. [in Russian]
Flemings, M. (1977). Protsessy zatverdevaniia [Solidification processes]. Mir. [in Russian]
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 O. V. Chistyakov, A. S. Nuradinov, A. V. Nogovitsyn, K. A. Sirenko, I. R. Baranov, I. A. Nuradinov
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
