Теория метастабильной кристаллизации переохлажденного эвтектического расплава

Автор: Дудоров Максим Владимирович, Дрозин Александр Дмитриевич, Стрюков Александр Васильевич, Рощин Василий Ефимович

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Химия @vestnik-susu-chemistry

Статья в выпуске: 3 т.13, 2021 года.

Бесплатный доступ

Разработана новая теория кристаллизации переохлажденного метастабильного расплава, базирующаяся на вариационных принципах механики, учитывающая закономерности образования и диффузионного роста равновесных кристаллов, а также бездиффузионный рост метастабильных кристаллов. Проведенные по модели расчеты для расплава Fe83B17 показали, что в переохлажденном расплаве наблюдается одновременное зарождение и рост стабильных фаз Fe и Fe2B с метастабильной фазой Fe3B, причём скорость роста кристаллов околокритических размеров фазы Fe3B превышает скорость роста кристаллов Fe и Fe2B. Для кристаллов Fe3B наблюдается эффект бездиффузионного роста, когда быстро растущая поверхность кристалла Fe3B захватывает атомы бора. На основе разработанной теории построена квазиравновесная диаграмма состояния для переохлажденного расплава Fe-B, учитывающая как равновесный рост кристаллов, так и рост метастабильной фазы. Полученная диаграмма позволяет прогнозировать значения концентрации компонентов у поверхности растущих кристаллов как для кристаллов Fe и Fe2B, для которых соблюдается условие локального равновесия на их поверхности, так и для метастабильных кристаллов Fe3B, бездиффузионный рост которых обусловлен высокой скоростью движения поверхности кристалла. Проведенное математическое моделирование зарождения и роста кристаллов в переохлажденном эвтектическом расплаве Fe83B17 показало, что в переохлажденном расплаве наблюдается одновременное зарождение и рост стабильных фаз Fe и Fe2B с метастабильной фазой Fe3B. Изучены закономерности зарождения и роста метастабильной фазы Fe3B. Механизм роста зародышей Fe3B отличается от роста зародышей Fe и Fe2B вследствие бездиффузионного захвата растущей поверхностью кристаллов Fe3B атомов бора.

Еще

Теория роста, рост кристаллов, метастабильная фаза, бездиффузионный рост, аморфные металлы, нанокристаллические металлы железо-бор

Короткий адрес: https://sciup.org/147235339

IDR: 147235339 | DOI: 10.14529/chem210309

Список литературы Теория метастабильной кристаллизации переохлажденного эвтектического расплава

Судзуки, К. Аморфные металлы / К. Судзуки, Х. Фудзимори, К. Хасимото. – М.: Металлургия, 1987. – 328 с.
Yoshizawa, Y. New Fe‐based Soft Magnetic Alloys Composed of Ultrafine Grain Structure / Y. Yoshizawa, S. Oguma, K. Yamauchi // J. Appl. Phys. – V. 64. – P. 6044–6046. DOI: 10.1063/1.342149.
Рощин, В.Е. Электрометаллургия и металлургия стали: учебник для вузов / В.Е. Рощин, А.В. Рощин. – Москва; Вологда: Инфра-Инженерия. – 2021. – 572 с.
Herlach, D.M. Metastable Solids from Undercooled Melts / D.M. Herlach, P. Galenko, D. Holland-Moritz. – Amsterdam: Elsevier, 2007. – 448 p.
Dudorov, M.V. Features of the Use of Equilibrium State Diagrams for Description of Crystal Growth from Metastable Melts / M.V. Dudorov, A.D. Drozin, B.G. Plastinin // Solid State Phenomena. – 2020. – V. 299. – P. 622–627. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.299.622.
Baker, M. Solute Trapping by Rapid Solidification / M. Baker, J.W. Cahn // Acta Metallurgica. – 1969. – № 17. – P. 575–578.
Aziz, M.J. Rapid Solidification: Growth Kinetics / M.J. Aziz. // In The Encyclopedia of Advanced Materials, ed. David Bloor et al. – Oxford: Pergamon Press. – 1994. – P. 2186–2194.
Галенко, П.К. Бездиффузионный рост кристаллической структуры при высокоскоростном затвердевании эвтектической бинарной системы / П.К. Галенко, Д.М. Херлах // Вестник удмуртского университета, Физика. – 2006. – № 4. – С. 77–92.
Phase-Field Simulation of Solidification / W.J. Boettinger, J.A. Warren, C. Beckermann, A. Karma et al. // Annual Review of Materials Research. – 2002. – V. 32. – P. 163–194. DOI: 10.1146/annurev.matsci.32.101901.155803.
Sekerka, R.F. Fundamentals of Phase Field Theory // Advances in Crystal Growth Research, ed. By K. Sato, Y. Furukawa and K. Nakajima / R.F. Sekerka. – Amsterdam: Elsevier, 2001. – P. 21–41.
Sobolev, S.L. An Analytical Model for Solute Diffusion in Multicomponent Alloy Solidifica-tion / S.L. Sobolev, L.V. Poluyanov, F. Liu // Journal of Crystal Growth. – 2014. – № 395. – P. 46–54. DOI:10.1016/j.jcrysgro.2014.03.009.
Pinomaa, T. Quantitative Phase Field Modeling of Solute Trapping and Continuous Growth Kinetics in Quasi-rapid Solidification / T. Pinomaa, N. Provatas // Acta Materialia. – 2019. – № 168. – P. 167–177. DOI: 10.1016/j.actamat.2019.02.009.
Jokisaari, A.M. Benchmark Problems for Numerical Implementations of Phase Field Models / A.M. Jokisaari, P.W. Voorhees, J.E. Guyer // Computational Materials Science. – 2017. – V. 126. – P. 139–151. DOI: 10.1016/j.commatsci.2016.09.022.
Dudorov, M.V. Decomposition of Crystal-growth Equations in Multicomponent Melts / M.V. Dudorov // J. Crystal Growth. – 2014. – № 396. – P. 45–49. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2014.03.035.
Дудоров, М.В. Моделирование роста кристаллов в многокомпонентных метастабильных сплавах / М.В. Дудоров, В.Е. Рощин // Известия высших учебных заведений. Черная металлур-гия. – 2019. – Т. 62, № 12. – С. 943–949. DOI: 10.3103/S0967091219120039.
Glansdorff, P. Thermodynamic Theory of Structure, Stability and Fluctuations / P. Glansdorff, I. Prigogine. – New York: Wiley-Interscience, 1971. – 305 p.
Скрипов, В.П. Спонтанная кристаллизация переохлажденных жидкостей / В.П. Скрипов, В.П. Коверда. – М.: Наука, 1984. – 230 с.
Driving Forces for Crystal Nucleation in Fe–B Liquid and Amorphous Alloys / M. Palumboa, G. Cacciamanib, E. Boscoa et al. // Intermetallics. – 2003. – V. 11. – P. 1293–1299. DOI: 10.1016/S0966-9795(03)00171-7.
Zhang, D. In Situ Observation of the Competition Between Metastable and Stable Phases in So-lidification of Undercooled Fe-17at. pctB Alloy Melt / D. Zhang, J. Xu, F. Liu // Metall and Mat Trans A. – 2015. – V. 46. – P. 5232–5239. DOI: 10.1007/s11661-015-3104-0.
Palumbo, M. Modelling of Primary Bcc-Fe Crystal Growth in a Fe85B15 Amorphous Alloy / M. Palumbo, M. Baricco // Acta Materialia. – 2005. – V. 53. – P. 2231–2239. DOI: 10.1016/j.actamat.2005.01.029.
Prigogine, I. Chemical Thermodynamics / I. Prigogine, R. Defay. – London: Prentice Hall, 1954. – 543 p.
Михайловский, Б.В. Оценка термодинамических функций кристаллизации аморфных сплавов системы Fe-Si-B / Б.В. Михайловский, И.Б. Куценок, В.А. Гейдерих // Журнал физиче-ской химии. – 1997. – Т. 71, № 3. – С. 409.
Гасик, М.И. Теория и технология электрометаллургии ферросплавов: учебник для вузов / М. И. Гасик, Н. П. Лякишев. – М.: Интермет Инжиниринг, 1999. – 764 с.
Battezzati, L. Undercooling of Ni-B and Fe-B Alloys and Their Metastable Phase Diagrams / L. Battezzati, C. Antonione, M. Baricco // Journal of Alloys and Compounds. – 1997. – V. 247. – P. 164–171.

Еще

Статья научная