Кинетический фазовый переход при кристаллизации металлов из расплава

• Автор: Иванов, Иван Алексеевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 110 с. : ил.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПОДХОДОВ К КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

1Л. Механизмы и модели кристаллизации
1.2. Образование и роль кластеров при кристаллизации
1.3. Синергетический и ансамблевый подход к кристаллизации металлов
1.4. Факторы, влияющие на кристаллизацию
Заключение по первой главе
ГЛАВА 2. СОЗДАНИЕ ВЕРОЯТНОСТНОЙ МОДЕЛИ КИНЕТИЧЕСКОГО ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА
2.1. Имитационное моделирование
2.2. Модель кинетического фазового перехода при кристаллизации металлов из расплава
2.2.1. Моделирование образования кластеров
2.2.2. Моделирование формирования первичной кристаллической структуры
2.3. Фрактальная параметризация модельных структур
2.4. Алгоритм модели кинетического фазового перехода
2.5. Моделирование процесса пенообразования в расплавах при затвердевании
Заключение по второй главе

ГЛАВА 3. ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА МЕТОДАМИ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
3.1. Масштаб модельных структур
3.2. Влияние внешних условий охлаждения
3.3. Влияние индивидуальных свойств примесей
3.4. Влияние концентрационного фактора
3.5. Моделирование вспенивания расплавов при затвердевании
Заключение по третьей главе
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПЕРВИЧНОЙ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВА ТВЕРДОЙ ФАЗЫ
4.1. Методика проведения экспериментальных исследований
4.2. Фрактальная размерность дендритных экспериментальных структур
4.3. Экспериментальное подтверждение результатов моделирования
4.3.1. Влияние внешних условий охлаждения
4.3.2. Влияние индивидуальных свойств и концентрации примесей на кристаллическую структуру низколегированных сталей
4.3.3. Влияние индивидуальных свойств и концентрации примесей на структурочувствительные свойства низколегированных сталей
4.4. Экспериментальное исследование процессов пенообразования в расплавах при затвердевании металлов
Заключение по четвертой главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Процесс кристаллизации металла в большинстве случаев является решающим этапом получения металлоизделий, определяющим их качество и служебные свойства.
Известны классические работы Гиббса, Таммана, Чернова и многих других, внесшие существенный вклад в понимание механизма кристаллизации. Вместе с тем, существующие подходы к описанию фазовых переходов первого рода, к которым относится кристаллизация металла, не учитывают роль особенностей теплоотвода и индивидуальных свойств компонентов расплава, без чего сложно адекватно описать кинетику и морфологию возникающего кристаллического твердого тела. Классическая теория роста кристаллов рассматривает этот процесс как последовательность двух этапов: зарождения частиц твердой фазы критического размера (зародышей), зависящего от величины переохлаждения АТ, и последующего рост твердой фазы. В современной литературе обычно обходят механизм такого роста, принимая, что рост происходит путем присоединения в наиболее энергетически выгодном месте к зародышу атомов из жидкой фазы. Однако эти подходы не объясняют наблюдаемые в экспериментах скорости кристаллизации (от 10'2 см/с до 5 м/с).
Является общепризнанным, что основным фактором, влияющим на протекание кристаллизации и определяющим характеристики структуры затвердевшего металла, является интенсификация теплоотвода. Вместе с тем, известны факты того, что малые изменения содержания определенных не фазообразующих (не микролегирующих) компонентов в расплаве приводят к существенному изменению морфологии образующейся кристаллической структуры и качественному изменению физических свойств твердого металла.

На начальном этапе работы программы происходит подготовка для дальнейшего расчета: устанавливаются значения управляющих параметров моделирования и задается затравочная область (т. е. закристаллизовавшаяся область, от которой начинается рост твердой фазы).
Второй, третий и четвертый этапы выполнения программы моделирования повторяются циклически до тех пор, пока не будет достигнут конец расчета (критерием конца расчета является достижение растущей твердой фазой самой верхней точки матрицы моделирования). На втором шаге выполнения программы происходит перерасчет вероятности перехода кластера из жидкого в твердое состояние согласно формуле (2.6). То есть на каждом цикле расчетов для каждого кластера жидкой фазы рассчитывается новое значение вероятности перехода.
На следующем этапе моделирования происходит выделение новой группы кластеров с наиболее подходящими параметрами для кристаллизации (то есть кластеров жидкости с максимальными вероятностями перехода). Управляющий параметр, характеризующий условия теплоотвода, задается количеством кластеров этой группы, которые из жидкого состояния перейдут в твердое (за один цикла расчетов).
Важным является вытеснение кластеров примеси на границе фронта кристаллизации. Реализация вытеснения кластеров осуществляется в направлении наименьшего числа кластеров в твердом состоянии (рис. 2.2). Вытеснение примеси на границе фронта завершает расчетный цикл программы моделирования.
В случае завершения моделирования происходит вычисление фрактальной размерности модельных структур (пятый этап работы программы моделирования) согласно формуле (2.8).
Возможности программы допускают проведение моделирования в автоматическом режиме, который позволяет задать шаг изменения одного из управляющих параметров (при прочих равных параметрах). В результате