Анотація до роботи:

Дисертацію присвячено визначенню механізмів парного росту фаз за нерівноважних умов фазових переходів у системах з евтектичним перетворенням. У роботі обґрунтовано вплив кристалічної будови компонентів систем на тип діаграми стану та на механізми парного росту. Запропоновано термодинамічні критерії оцінки схильності сплавів евтектичних систем до виникнення квазіевтектик за умов відсутності інших фазових перетворень та формування аморфного стану. Зроблено теоретичний аналіз теплових процесів у рідкій фазі та запропоновано структурну модель рідкого прошарку на межі кристал-ріди-на за умов нерівноважності. Визначено, що рушійною силою кристалізаційних процесів за нерівноважних умов є температурне переохолодження, в той час як за умов рівноваги – концентраційне переохолодження. Встановлено, що процеси кооперації між зростаючими кристалами залежать від співвідношення між фазами і впливають на механізми парного росту. Розроблено моделі зростання кристалів двох фаз при різному співвідношенні між партнерами та визначено умови кооперації для сумісного або роздільного росту. Проведено порівняльний аналіз евтектичної та квазіевтектичної кристалізації, яким встановлено принципові відмінності цих перетворень. Доведено, що умови квазіевтектичного перетворення визначають термокінетичні діаграми перетворення переохолодженої рідини. Для системної оцінки можливих нерівноважних ефектів в сплавах з евтектичним перетворенням розроблено синергетичні схеми траєкторій еволюції систем в залежності від ступеня переохолодження.

Доведено позитивний вплив квазіевтектичних структур на властивості сплавів. Результати досліджень знайшли впровадження у виробництві деталей з підвищеними фізико-хімічними властивостями поверхневих шарів (паливні баки, швидкозношувальні деталі бурякозбиральної техніки тощо).

К л ю ч о в і с л о в а : переохолодження, евтектика, квазіевтектика, ступінь кооперації, парний ріст, сумісний та роздільний ріст, конгломерат, колонія, псевдоморфоза, швидкість охолодження, метастабільна фаза, адгезія.

Б е р е з а Е.Ю. “Физические основы парного роста фаз сплавов при неравновесных превращениях”. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.13 – физика металлов.

Институт физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ "Харьковский физико-технический институт", Харьков, 2008.

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, що виявляється у встановленні фізичних закономірностей формування структури в сплавах евтектичного типу за участю нерівноважних фазових переходів І роду з урахуванням кінетичних факторів теплової дії з метою керування фізико-хімічними властивостями природних композиційних матеріалів.

При вирішенні даної проблеми зроблено наступні висновки.

1. На основі результатів досліджень термокінетичних параметрів процесів самоорганізаціїї фаз при кооперативному рості за нерівноважних умов перетворень І роду встановлено, що механізми процесів самоорганізації в системах евтектичного типу значно залежать від кристалічної будови елементів, особливостей будови вихідної фази і, в першу чергу, на межі рідина-кристал, механізмів росту кристалів фазових партнерів й ступеня кооперації. Наявність такої залежності дала можливість визначити рушійну силу та описати хід нерівноважного структуроутворення у сплавах евтектичних систем.

2. За результатами аналізу кристалічної будови елементів, які є компонентами евтектичних систем, доведено вплив типу кристалічної решітки елементів на механізми парного росту фаз. Наявність такої залежності обумовлює те, що компонентами переважної більшості евтектичних систем І типу (< 0,98), де можливий сумісний механізм парного росту фаз, є елементи із найбільш щільно упакованими решітками – гранецентрованою кубічною, гексагональною та ромбоедричною, частка яких становить 71,3 %. Переважну більшість компонентів систем ІІ типу (> 0,98), де можливий роздільний механізм парного росту фаз, складають елементи з кубічною решіткою типу алмазу.

3. На основі результатів аналізу термодинамічних параметрів розплавів для прогнозування виникнення квазіевтектичних структур за умов відсутності інших фазових перетворень запропоновано ентропійний критерій S`. Використанням даного критерію встановлено, що при кристалізації рідини квазіевтек-тики утворювались в системах, де приведений ентропійний критерій змінював-ся в межах 0,8< S``<1,2.

4. Отримані результати порівняльного аналізу евтектичної та квазіевтектичної кристалізації обумовили істотне поширення уяв про механізми процесів самоорганізації у фазових реакціях розпаду та визначення квазіевтектик як кристалічних продуктів фазових реакцій розпаду, коли вихідною є некристалічна фаза, що враховує особливості фазових перетворень за нерівноважних умов. Систематизація результатів досліджень дала можливість вперше провести класифікацію квазіевтектичних структур в залежності від термічних умов утворення, ступеня кооперативності та типу квазіевтектичного партнера.

5. Експериментально доведено, що самоорганізовані структури розпаду утворюються шляхом кооперативного росту фаз, основними механізмами якого є роздільний (конгломератний) і сумісний (колоніальний) ріст кристалів. Побу-дована модель зміни концентраційного поля при рості кристалів двох різних фаз дозволила визначити умови їх взаємного впливу, який запропоновано оцінювати за допомогою ступеня кооперації, що являє собою відношення градієнту ефективної концентрації компонента у концентраційному полі до усередненої концентрації в розплаві. Надана модель пояснює суттєвий вплив співвідношення між фазами на ступінь кооперації та механізми парного росту.

6. На основі результатів аналізу процесів, що відбуваються на межі рідина-кристал за умов нерівноважності, запропоновано модель приповерхневого шару рідкого розплаву, відповідно до якої при зростанні переохолодження вище за критичне внаслідок конвекційних процесів спостерігається кінетичний фазовий перехід. Самоорганізація конвекційних потоків призводить до встановлення стійкого режиму комірок Бенара, що виникають у вигляді системи правильних шестикутників. Зазначений ефект певною мірою зумовлює утворення комірчаної будови фронту кристалізації і є необхідною кінетичною умовою квазіевтектичної кристалізації. Наявність комірчаної будови рідини спричиняє нерівномірність температурного переохолодження за фронтом кристалізації, яка має хвильовий характер. На відміну від рівноважних умов кристалізаційних процесів, коли важливу роль відіграє концентраційне переохолодження, за нерівноважних умов першорядне значення має температурне переохолодження, яке виникає в тонкому прошарку на межі рідина-кристал.

7. На основі отриманих результатів аналізу термокінетичних умов нерівноважних процесів у системах з евтектичним перетворенням для визначення можливих перетворень переохолодженої рідини вперше запропоновано термокінетичну діаграму, яка описує умови квазіевтектичного перетворення як проміжні між умовами евтектичного перетворення та умовами аморфізації сплаву. Гіпотетичні термокінетичні діаграми побудовано для досліджених сплавів систем Al-Ge та Fe-B.

8. За результатами аналізу шляху еволюції системи запропоновано синергетичні схеми траєкторій еволюції самоорганізованих структур розпаду в системах з евтектичним та евтектоїдним перетворенням. У розроблених варіантах кожної схеми у відповідності до запропонованих нових положень теорії евтектику визначено як тільки один з видів самоорганізованих структур розпаду.

9. Вперше на основі отриманих результатів показано, що одним з видів “квазі”-структур є псевдоморфози, в яких спостерігається взаємозамінність морфологічних ознак і фазового складу партнерів. Доведено, що псевдоморфози можуть формуватися як під час кристалізаційних процесів, так і при твердофазних перетвореннях. Аналіз результатів дослідження дозволив визначити основні механізми появи псевдоморфоз, наприклад, евтектико-перитектичне перетворення (у сплавах Fe-B-C) або розпад метастабільної проміжної фази (у сплавах Al-Ge), а також вперше запропонувати класифікацію псевдоморфоз.

10.Експериментально доведено значний вплив “квазі”-структур на властивості матеріалів через попередження ліквації й сприяння підвищенню міцності й зниженню крихкості сплавів евтектичного типу внаслідок високого ступеня дисперсності (в конгломератних структурах при роздільному механізмі росту фаз) або тонкого диференціювання (в колоніальних структурах при сумісному механізмі росту фаз). Експериментально доведено, що отримання покриттів з низьким вмістом олова із квазіевтектичною структурою дає можливість значно підвищити корозійну стійкість, на порядок знизити пористість та покращити адгезію до стальної основи при зменшенні різнотовщинності покриття майже втричі.

11. Встановлено можливість керування процесами структуроутворення і властивостями матеріалів через виникнення "квазі"-структур при високошвидкісному охолодженні після дії висококонцентрованих джерел енергії. Зокрема доведено, що швидке охолодження під час гартування з нагрівом струмами високої частоти призводить до виникнення текстури боридного шару за площиною (002) й до формування між поверхневим шаром боридів і сталевою основою двофазної зони з тонкодиференційованою квазіевтектичною структурою. Доведено бікристалітну колоніальну будову даної зони, фазами якої є борид Fe₂B і г-твердий розчин. Внаслідок виникнення текстури і квазіевтектичної зони значно підвищуються твердість та адгезійні властивості робочої поверхні.

12. На базі проведених досліджень рекомендовано використання комплексної обробки поверхні, що дозволяє створювати різні типи "квазі"-структур. Наприклад, при комплексній хіміко-термічній обробці, яка включає електролізне борування з наступним гартуванням з нагрівом струмами високої частоти, формується поверхневий шар з високим комплексом властивостей. Експлуатаційні випробування деталей, зміцнених за відпрацьованими оптимальними режимами даної обробки, в залежності від кліматичної зони показали зростання стійкості деталей в 3…5 разів.