Анотація до роботи:

Ткач В.І. Аморфізація розплавів метал-металлоїд при швидкому охолодженні і еволюція аморфних фаз при нагріві. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України, Донецьк, 2003.

В дисертації встановлені зв’язки між процесами формування аморфних фаз при гартуванні з розплаву і переходу стекол до рівноважного стану. Дослідження проведені на низці сплавів метал-металоїд на основі заліза, нікелю і кобальту, а також на надпровідних металооксидах. З використанням оригінальної термоелектричної методики вперше визначені емпіричні залежності між основними параметрами методу спінінгування обмеженого потоку розплаву, швидкістю охолодження стрічок і їх товщиною. Встановлені механізми процесів структурної релаксації стекол і визначено їх вплив на властивості переважно при температурах поблизу температури склоподібного переходу. Вперше одержані аналітичні рівняння, які описують кінетику кристалізації стекол, контрольовану дифузією як на границі поділу, так і в об’ємі, а також розміри зерен у закристалізованих стеклах в залежності від швидкості неперервного нагріву. Шляхом аналізу результатів експериментальних досліджень кристалізації стекол в рамках розроблених моделей оцінені термодинамічні і кінетичні параметри, які контролюють швидкості зародження і росту кристалів в стеклах. Встановлено, що кристалізація розплавів при швидкому гартуванні і стекол при нагріві добре описується в рамках єдиної моделі з одним набором параметрів. Визначено механізми впливу термічної передісторії і релаксаційних процесів в розплавах та стеклах на кристалізацію. Показано, що досліджені у роботі аморфні сплави, в тому числі і нова композиція Fe₄₀Co₄₀P₁₄B₆, за рівнем магнітних і електричних властивостей є матеріалами, перспективними для практичного використання.

Встановлені в дисертації зв’язки між процесами аморфізації розплавів при гартуванні та формування кристалічних фаз при нагріві істотно поглиблюють уяви про механізми і кінетику фазових перетворень у гранично нерівноважних умовах та роблять істотний внесок у практику розробки матеріалів з поліпшеними фізичними властивостями шляхом контрольованої термічної обробки аморфних фаз. Результати проведених досліджень дозволяють зробити такі висновки:

1. З використанням оригінальної термоелектричної методики вимірювання температури шару розплаву, який охолоджується на поверхні гартівного валку, що обертається, експериментально встановлена домінуюча роль масопереносу у формуванні стрічок, що дозволяє використати для аналізу режиму теплообміну в методі спінінгування досить просту математичну модель. Одержане експериментальне підтвердження цього висновку і запропоновано спрощений спосіб оцінки ключового параметру методу гартування – коефіцієнту тепловіддачі.

2. За результатами вперше проведених систематичних досліджень впливу трьох основних параметрів процесу спінінгування обмеженого потоку розплаву (лінійної швидкості гартівного валку V_S, температури розплаву T_E і тиску ежекції P_E) на швидкість охолодження у сполученні з вимірюваннями товщини стрічок d і відносної площини газових каверн на контактних поверхнях стрічок одержані емпіричні залежності між товщинами стрічок та швидкістю охолодження. Встановлено, що у діапазоні значень технологічних параметрів, який забезпечує одержання якісних стрічок, швидкості охолодження знаходяться в межах 410⁴-6,910⁶ К/с, а характер залежності (d) визначається тим, за рахунок варіацій якого з цих параметрів змінюється товщина стрічок: при змінах швидкості валку
d^-3,1, що сильніше, ніж пропорційність d^-2 для умов ідеального термічного контакту, зміни температури перегріву призводять до зростання швидкості охолодження з товщиною стрічок, в той час як при змінах тиску ежекції величина в залежності від d зростає по кривій з насиченням.

3. Показано, що кристалізація в ізотермічних умовах та при неперервному нагріві зі швидкостями до 4 К/с відбувається у повністю релаксованому відносно переохолодженого розплаву стані, а при температурах поблизу температури склоподібного переходу кінетику структурної релаксації досліджуваного сплаву можна описати у рамках модифікованої моделі вільного об’єму.

4. На основі формалізму класичної теорії кристалізації вперше одержані аналітичні рівняння кінетики поліморфної, евтектичної та первинної кристалізації в умовах нагріву з постійною швидкістю . Показано, що виведені рівняння коректно описують експериментальні кінетичні криві і формально збігаються зі своїми ізотермічними аналогами, якщо параметр (де Q – енергія активації дифузійного стрибку) розглядати в якості ефективного часу термічно активованого процесу при лінійному нагріві.

5. Для процесів росту кристалів, які контролюються дифузією на міжфазній границі та в об’ємі, вперше одержані аналітичні співвідношення, які описують розміри кристалітів, що формуються в стеклах при неперервному нагріві, і дозволяють прогнозувати термічні режими одержання структур з наперед заданими (у тому числі і наномасштабними) розмірами зерен.

6. Розроблені непрямі методики визначення термодинамічних і кінетичних параметрів, які контролюють формування кристалів в стеклах. На прикладі АМС Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆, Fe₄₀Co₄₀P₁₄B₆ і Fe₈₀B₂₀ розраховані температурні залежності швидкостей зародження і росту кристалів, які добре узгоджуються з експериментальними даними. Встановлено, що найкраща згода модельних розрахунків швидкості зародження з експериментальними оцінками може бути досягнута шляхом введення у класичну теорію припущення щодо лінійної залежності від температури питомої вільної енергії границі розподілу розплав-зародок.

7. Вперше за методом спінінгування розплаву одержане нове металеве скло номінального складу Fe₄₀Со₄₀P₁₄B₆, яке кристалізується за евтектичним механізмом і має термічну стійкість приблизно на 60 К вищу, ніж АМС Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆, завдяки більш високій питомій вільній енергії границі розплав-зародок.

8. Показано, що причиною відхилення показника Аврамі від встановлених мікроскопічним аналізом значень може бути суперпозиція двох процесів кристалізації скла за різними механізмами, що відбуваються одночасно (Fe₈₀B₂₀), або нестаціонарний характер зародження кристалів (Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆).

9. З використанням розробленої чисельної моделі на прикладі сплавів із різними механізмами кристалізації (Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆ и Fe₈₀B₂₀) вперше встановлена принципова можливість опису нерівноважної кристалізації розплавів і стекол в рамках єдиної моделі з одним набором параметрів.

10. Запропоновано механізм впливу релаксаційних процесів на швидкість зародження кристалів в розплавах і стеклах, а також на степінь нерівноважності структури стекол. Показано, що стійкість аморфного стану залежить від термічної передісторії у випадках, коли швидкість нагріву близька до швидкості охолодження, при якій формувалось скло, а також коли кристалізація стекол відбувається шляхом росту загартованих зародків.

11. Встановлено, що термічна обробка литих зразків металооксиду Bi_2.05Sr_2.15Ca_0.747Cu₂O_y із склоподібною структурою дозволяє не тільки одержати кристалічну фазу зі структурою типу 2212 з температурним діапазоном надпровідного переходу 85-79 К, але й відкриває можливості для пластичного деформування в області існування переохолодженого розплаву.

12. Встановлений у роботі немонотонний характер залежності індукції насичення АМС Fe₈₀B_20-xSi_x (x = 0, 2, 4, 6) від концентрації кремнію і бору, а також від товщини стрічок дозволив для АМС Fe₈₀B₁₆Si₄ після оптимальної термообробки (623 К/ 60 хв.) одержати характеристики В₁₀ 1,65 Т і Н_с = 3,4 А/м, які дозволяють використовувати це скло в якості магнітних осердь силових, накопичувальних, широкосмугових та інших трансформаторів і екранів магнітного захисту.

13. Встановлено, що заміна нікелю на кобальт у промисловому АМС Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆ призводить до підвищення індукції насичення приблизно на 0,6 Т та температури Кюрі більш, ніж на 100 К, що у сполученні з підвищеною термічною стійкістю АМС Fe₄₀Co₄₀P₁₄B₆ свідчить про перспективність його використання для виготовлення високочутливих датчиків і магнітних осердь, які працюють при підвищених температурах, а також в якості основи для розробки низки нових АМС на залізокобальтовій основі.

Публікації автора:

1. Влияние скорости нагрева на размер зерна и кинетику кристаллизации аморфного сплава Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆ / В.П. Набережных, А.И. Лимановский, В.И. Ткач, Л.В. Кукса, В.Ю. Каменева // ФММ. - 1988.- Т. 66, вып. 1.- С. 169-177.

2. Исследование режима охлаждения расплава Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆ на закалочном диске / В.И. Ткач, О.Н. Белошов, Б. И. Селяков, В. П. Набережных // Расплавы. - 1990. - № 1. - С. 80-82.

3. Потеря сверхпроводимости кристаллами La_2-хSr_хCuO_4-y / В.П. Набережных, В.И. Ткач, В.М. Свистунов, О.Н. Белошов, А.И. Лимановский, И.А. Гайна, В.Ю. Каменева // Письма в ЖТФ.- 1990.- Т. 16, вып. 1.- С. 83-86.

4. Кристаллизация аморфного сплава Fe₈₀B₂₀ при нагреве с постоянной скоростью / В.П. Набережных, В.И. Ткач, А.И. Лимановский, В.Ю. Каменева // ФММ. - 1991. – Т. 71, № 2. – С. 157-164.

5. Структура и свойства фазы La_2-хSr_хCuO_4-y, образованной в процессе окисления металлической основы / В.П. Набережных, В.И. Ткач, А.И. Лимановский, В.Ю. Каменева, О.Н. Белошов, И.А. Гайна, Т.И. Панько // ФНТ. – 1991. – Т. 17, № 8. – С. 941-947.

6. Ткач В.И., Лимановский А.И., Денисенко С.Н. Влияние скорости подложки на термический режим охлаждения аморфизующегося сплава Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆ // Металлофизика. - 1993. – Т. 15, № 11. - С. 81-87.

7. Мороз Т.Т., Набережных В.П., Ткач В.И. Кинетика обратимой релаксации электросопротивления аморфного сплава Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆ // Металлофизика. – 1993. – Т. 15, № 7. – С. 20-29.

8. Пластическое течение стеклообразного оксида Bi-Sr-Ca-Cu-O и сверхпроводящие свойства закристаллизованной керамики / О.Н. Белошов, И.А. Гайна, В.Ю. Каменева, А.И. Лимановский, В.П. Набережных, В.И. Ткач // СФХТ. – 1993. – Т. 6, № 5. – С. 1100-1106.

9. Tkatch V.I., Denisenko S.N., Selyakov B.I. Computer simulation of Fe₈₀B₂₀ alloy solidification in the melt spinning process // Acta Metallurg. Mater. - 1995. - Vol. 43, No 6. - P. 2485-2491.

10. Tkatch V.I., Limanovskii A.I., Kameneva V.Yu. Studies of crystallization kinetics of Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆ and Fe₈₀B₂₀ metallic glasses under non-isothermal conditions // J. Mater. Sci. - 1997. – Vol. 32. - P. 5669-5677.

11. Tkatch V.I., Denisenko S.N., Beloshov O.N. Direct measurements of the cooling rates in the single roller rapid solidification technique // Acta Mater. –1997. - Vol. 45, No 7. - P. 2821-2826.

12. Стефанович Л.И., Ткач В.И. Кинетика сегрегации свободного объема в металлических стеклах // Металлофиз. и новейш. технол. - 1997. - Т. 19, № 2. - С. 3-11.

13. Белошов О.Н., Денисенко С.Н., Лимановский А.И., Ткач В.И. Кинетика релаксации металлического стекла в изотермических условиях // Изв. РАН. Сер. физич. - 1997. – Т. 61, № 2. - С. 221-227.

14. Ткач В.И. Кристаллизация сплава Fe₈₀B₂₀ из жидкого и аморфного состояния // Физ. и техн. выс. давл. - 1998. – Т. 8, № 4. - С. 91-96.

15. Tkatch V.I. Determination of temperature dependence of the nucleus-melt interfacial tension for Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆ alloy // Int. J. Non-Equilibr. Process.- 1998.- Vol. 10.- P. 339-352.

16. Обобщенный анализ кинетики кристаллизации аморфных сплавов в изотермических и неизотермических условиях / В.И. Ткач, А.И. Лимановский, В.Ю. Каменева, С.Г. Рассолов // Физ и. техн. выс. давл.- 1999.- Т. 9, № 2.- С. 79-86.

17. Ткач В.И., Лимановский А.И., Каменева В.Ю. Механизм и кинетика кристаллизации аморфных сплавов Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆ и Fe₈₀B₂₀ // Металлофиз. и новейш. технол. - 1999. – Т. 21, № 5. - С. 15-23.

18. Изменения структуры и свойств металлического стекла Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆ в процессе непрерывного нагрева / В.И. Ткач, В.И. Крысов, В.Ю. Каменева, А.И. Лимановский, С.К. Крысова // Конденсированные среды и межфазные границы. – 2001. – Т. 3, № 1. – С. 46-48.

19. Кинетика и механизм кристаллизации аморфного сплава Fe₈₄B₁₆ / В.И. Ткач, Т.Н. Моисеева, В.В. Попов, В.Ю. Каменева // ФММ. - 2001 - Т. 91, № 1. - с. 56-62.

20. Processing and properties of soft magnetic Fe₄₀Co₄₀P₁₄B₆ amorphous alloys / M. Hollmark, V.I. Tkatch, A. Grishin, S.I. Khartsev // IEEE Trans. Magn. – 2001. – Vol. 37, No 4. – P. 2278-2280.

21. The effect of the melt-spinning processing parameters on the rate of cooling / V.I. Tkatch, A.I. Limanovskii, S.N. Denisenko, S.G. Rassolov // Mater. Sci. Eng. А. – 2002. – Vol. 323. – P. 91-96.

22. Tkatch V.I., Grishin A.M., Khartsev S.I. Delayed nucleation in Fe₄₀Co₄₀P₁₄B₆ metallic glass // Mater. Sci. Eng. А. – 2002. – Vol. 337. – P. 187-193.

23. Влияние релаксации на структуру и термическую устойчивость аморфной фазы в быстроохлажденных лентах сплава Fe₈₀B₂₀ / С.Г. Рассолов, В.И. Ткач, В.В. Попов, А.И. Лимановский // Физ. техн. выс. давл. – 2002. – Т. 12, № 3. – С. 57-67.

24. Особенности кристаллизации аморфного сплава Ni₆₀Cr₁₅Fe₉Si₈B₈ в неизотермических условиях / Т.Т. Мороз, В.И. Ткач, В.С. Абрамов, А.И. Лимановский // Металлы. – 2002. - № 4. – С. 96-100.

25. Rassolov S.G., Tkatch V.I., Selyakova N.I. Diffusion-limited crystal growth in metallic glasses under continuous heating // J. Appl. Phys. – 2002. – Vol. 92, № 10. – P. 6340-6342.

26. Кинетика двухстадийной кристаллизации аморфного металлического сплава Fe₈₄B₁₆ / В.И. Ткач, С.Г. Рассолов, Н.И. Селякова, Т.Н. Моисеева, В.Ю. Каменева, В.В. Попов // Вісник Дніпропетровського університету. Фізика. Радіоелектроніка. – 2002. – вип.. 8. – С. 71-78.

27. Рассолов С.Г., Ткач В.И., Каменева В.Ю., Попов В.В. Зарождение и рост кристаллов a-Fe при линейном нагреве аморфного сплава Fe₈₅B₁₅ // Физ. и техн. выс. давл. – 2003. – Т. 13, № 1. - с. 75-83.

28. Кристаллизация аморфного сплава Fe₈₆B₁₄ при нагреве с постоянной скоростью / В.И.Ткач, Т.Н. Моисеева, С.Г. Рассолов, В.Ю. Каменева, Т.Т. Мороз // ФММ. – 2003. – Т. 95, № 3. – с. 52-58.

29. Анализ процесса кристаллизации металлических стекол Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆ и Fe₈₀B₂₀ в неизотермических условиях / В.П. Набережных, В.И. Ткач, А.И. Лимановский, Л.В. Кукса, В.Ю Каменева: Препр. / АН УССР. Донецкий физ.-техн. ин-т; № 14 (134). – Донецк: 1987.- 38 с.

30. Набережных В.П., Селяков Б.И., Ткач В.И. Кинетика кристаллизации в тонких слоях жидких и аморфных металлов: Препр. / АН УССР. Донецкий физ.-техн. ин-т; № 88-24 – Донецк: 1988.- 33 с.

31. Теоретический анализ условий охлаждения и затвердевания расплава на массивной подложке / В.П. Набережных, Б.И. Селяков, В.И. Ткач, Э.П. Фельдман // Cтруктура и свойства аморфных сплавов.- Ижевск: УдГУ.- 1985.- Вып. 7.- С. 141-148.

32. Теоретический анализ и экспериментальные исследования кинетики кристаллизации металлических стекол при нагреве с постоянной скоростью / В.П. Набережных, В.И. Ткач, А.И. Лимановский, В.Ю. Каменева // Быстрозакаленные материалы. - Будапешт: KFKI. - 1989.- Т. 2.- С. 296-306.

33. Набережных В.П., Селяков Б.И. Ткач В.И. Кинетика кристаллизации при закалке расплава на теплопроводящей подложке // Быстрозакаленные материалы. - Будапешт: KFKI. - 1989.- Т. 1.- С. 128-137.

34. Preparation and characterization of the soft magnetic FeCo-based amorphous alloy with enhanced magnetic properties and thermal stability / M. Hollmark, V. Tkatch, S. Khartsev, A. Grishin // Mat. Res. Symp. Proc. – 2001. – Vol. 644. – P. L7.2.1 – L7.2.6.

35. Ткач В.И., Рассолов С.Г., Лимановский А.И. Влияние температуры расплава на скорость закалки аморфизующегося расплава в методе спиннингования // Труды X Российской конференции "Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов." - Челябинск: Изд. ЮурГУ. - 2001. – Т. 4. - С. 16-19.

36. Влияние условий получения и термической обработки на магнитные свойства аморфных сплавов Fe₈₀B_20-xSi_x / В.П. Набережных, В.И. Ткач, В.Ю. Каменева, А.И. Лимановский // Тезисы докладов VI научного семинара Физика магнитных явлений. – 1993 . – Донецк: ДонФТИ НАН Украины. с. 119.

Отримані авторські свідоцтва: №№ 1145544, 1225125, 1269354.