Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 12
1.1. Исследование наноструктурной организации жидких сред 12
1.1.1. Дискретно-континуальные модели описания меоючастичных взаимодействий в конденсированных средах 13
1.1.2. Современные подходы к анализу меэ/счастичных взаимодействий в жидких средах и расплавах 17
1.1.3. Термодинамическая кластерно-континуальная модель надмолекулярных кластеров, погруженных в упругий диэлектрический континуум 21
1.1.4. Определение характерных размеров среднестатистических надчастичных кластеров в рамках кластерно-континуальной модели 25
1.1.5. Флуктуациоиная природа структурно-энергетического параметра ,* межчастичных взаимодействий в жидких средах29
1.1.6. Разбиение энтальпии меэ/счастичных взаимодействий в жидкостях и расплавах на составляющие 30
1.2. Металлы в кристаллическом состоянии. Неравновесные границы зерен в металлах 32
1.2.1. Малыеупругопластические и большие пластические деформации 33
1.2.2. Размерные эффекты в физико-химии металлов и твердость наносистем 34
1.2.3. Разрушение поликристаллического континуума металловЪ!
1.3. Фоновое резонансно-акустнчское управление и среды влияния... 39
1.3.1 .Системные свойства объектов влияния 41
1.3.2. Эволюция морфологии систем врежиме внешнего управления 48
2. Экспериментальная часть 56
2.1. Объекты исследования 56
2.2. Методы исследования 57
2.2.1. Пластическая деформация металлов в сквозного импульсного электрического тока (СИЭТ) при комнатной температуре 57
2.2.2. Кристаллизация металлов и сплавов в режиме фонового резонансного электромагнитно-акустического управления (ФРЭМЛУ) 58
2.2.3. Микротвердость металлов и сплавов 61
2.2.4. Подготовка олова 61
2.2.5. Подготовка сплавов 61
2.2.6. Исследование структуры сплавов на растровом электронном микроскопе (РЭМ)., , 62
2.2.7. Рентгенофазовый анализ образцов олова 62
2.3. Пластическая деформация металлов в режиме СИЭТ при комнатной температуре 64
2.4. Кристаллизация металлов и сплавов в режиме фонового резонансно-акустического управления 69
2.5. Твердость олова, свинца и сплавов 75
2.6. Металлографическое исследование структуры образцов олова 76
2.7. Исследование сплавов с помощью РЭМ 76
2.8. Рентгенофазовый анализ образцов олова '. 80
3. Обсуждение результатов 82
3.1. Надчастичная структурная организация расплавов металлов с позиций кластерно-континуальнои модели 82
3.2. Применение кластерно-континуальнои модели для рассмотрения физико-химических закономерностей разрушения кристаллических металлов 85
3.3. Модель фонового резонансного электромагнитно-акустического управления 90
3.4. Пластические деформации металлов в режиме ФРЭМАУ 93
3.5. Кристаллизация и фазово-переходная память 103
Выводы 106
Список литературы 108
- Современные подходы к анализу меэ/счастичных взаимодействий в жидких средах и расплавах
- Разбиение энтальпии меэ/счастичных взаимодействий в жидкостях и расплавах на составляющие
- Кристаллизация металлов и сплавов в режиме фонового резонансного электромагнитно-акустического управления (ФРЭМЛУ)
- Применение кластерно-континуальнои модели для рассмотрения физико-химических закономерностей разрушения кристаллических металлов
Введение к работе
Фазовые переходы, их термодинамика и кинетика - базовые темы физической химии. В последнее время пристальное внимание исследователей привлекают модели фазовых превращений с позиций кластерных теорий строения вещества. Особый интерес связан с изучением формирования новой фазы в различных физических полях, в частности, электромагнитных и акустических.
Актуальной задачей любого технологического процесса остается контроль над механическими и физико-химическими процессами с целью получения продуктов и изделий с заданными свойствами и заданным пространственным распределением свойств [1-5]. Трудность управления гетерофазными процессами в твердой или вязкой жидкой фазе, да еще в масштабах реального промышленного производства усугубляется практической невозможностью локального мониторинга и воздействия [6-13], что легко реализуется в ньютоновских жидкофазных средах. И если механические, в частности - акустические, методы влияния апробированы и давно используются [14-17], низкочастотное (радиоволновое) электромагнитное возмущение мало изучено и с недоверием применяется практиками [ 18-24]. Хотя технические средства дают возможность практического применения полевых воздействий в большинстве областей металлургии, машиностроении и химической технологии. Эти технологии в силу сокращения производственного цикла и изменения свойств и структуры материала или изделий весьма привлекательны, требуют небольших капитальных затрат и обладают высокой экономической эффективностью.
Гетерофазный массообмен всегда связан с фазовыми превращениями. Традиционно используется механизм массообмена, опирающийся на положение равновесной термодинамики (так называемый принцип локального равновесия), в которой рассматривается не ход фазовых превращений во времени и пространстве, а лишь достигнутое в результате
уже прошедшего процесса состояние равновесия между исходной и новой фазами в предположении, что последняя получила полное развитие. При этом под температурой перехода при заданном давлении подразумевается не та температура, при которой переход практически начинается и происходит, а та, при которой он останавливается, то есть когда фазы остаются в равновесии друг с другом неограниченно долгое время. Сам процесс возникновения и образования новой фазы из рассмотрения исключается. При этом введенные впервые Ю. Л. Климонтовичем [25] большие флуктуации (в отличие от обычных гомофазных) и сопутствующие им локальные изменения давления и температуры при обычном феноменологическом описании игнорируются полностью. Практика показывает, что подход, основанный только на рассмотрении локальных равновесных состояний, не отражает суть явления. Большие флуктуации плотности — не что иное, как самоорганизация гомофазы, которой присуще свойство фазовых переходов I рода, то есть изменение свойств скачком.
В работах, выполненных в нашей лаборатории, впервые обнаружено
влияние электромагнитно-акустических полей малой мощности на процессы,
протекающие при кристаллизации металлов и сплавов, твердении
минеральных вяжущих материалов, графт-полимеризации
термоотверждаемых актрилатных композитов в диапазоне частот 15-8000 кГц. Как основной в этих работах был использован метод реплик, то есть анализ инструментальный и теоретический конечного влияния электромагнитно-акустических полей. Целесообразно продолжить эти работы, уделив внимание траекториям интенсивных термодинамических параметров на границах непрерывности фаз в момент фонового влияния электромагнитных полей.
Работа проводилась в соответствии планом научно-исследовательских работ Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) по научному направлению на 2004-2008гг.
8 электромагнитно-акустического управления и без него с регистрацией
кинетики изменения температуры исследуемых образцов;
исследовать изменение длительностей процесса кристаллизации в зависимости от соотношения компонентов сплава в режиме фонового резонансного электромагнитно-акустического управления и без него;
исследовать кинетику кристаллизации образцов олова и свинца, ранее подвергавшихся твердению в режиме фонового резонансного электромагнитно-акустического управления;
предложить теоретические модели влияния сквозных импульсов электрического тока на микротвердость металлов и изменения кинетики кристаллизации в режиме фонового резонансного электромагнитно-акустического управления.
Научная новизна:
экспериментально обнаружена резонансная зависимость изменения микротвердости олова, свинца, висмута, меди, серебра, никеля, кобальта, циркония, тантала, ниобия, молибдена и вольфрама при нормальных условиях от частоты сквозных импульсов электрического тока;
определено возрастание микротвердости у олова, меди, серебра, никеля, кобальта, циркония, тантала, ниобия и снижение этого показателя у свинца, висмута, молибдена, вольфрама в области частот импульсов тока 30-1500 кГц;
выявлено, что резонансная частота сквозных импульсов электрического тока, вызывающего максимальное изменение микротвердости олова и свинца оказывается эффективной в изменении кинетики кристаллизации этих металлов в фоновом резонансном электромагнитно-акустическом управление;
экспериментально обнаружено появление фазовопереходной памяти у поликристаллических образцов олова и свинца, подвергшихся
9 однократному процессу кристаллизации в режиме фонового резонансного
электромагнитно-акустического управления; эффект памяти сохраняется на протяжении нескольких циклов перекристаллизации без участия внешнего управления;
экспериментально подтверждена S-теорема Климонтовича для кристаллизации металлов: в нелинейных открытых системах при слабом резонансном управляющем воздействии идет процесс самоорганизации; предлагается модель фонового влияния сквозных импульсов электрического тока на пластические свойства деформируемого металла, заключающаяся в локальном плавлении и кристаллизации вещества в зоне механической нагрузки, сопровождающегося образованием кластеров со сходными характеристиками;
Предлагается модель изменения кинетики кристаллизации в режиме фонового резонансного электромагнитно-акустического управления, заключающаяся в синхронизации фазовых траекторий кластерных надмолекулярных структур в мезофазе на резонансных частотах: это условие локального и когерентного снижения энтропии среды, роста температуропроводности мезофазы, согласованного увеличения предэкспонент и, следовательно, констант скоростей термически активируемых процессов;
предлагается модель фазово-переходной памяти, заключающаяся в формировании в режиме фонового резонансного электромагнитно-акустического управления кластерных структур с одинаковыми параметрами (неравновесными химическими потенциалами), что делает систему устойчивой по отношению к случайным внешним воздействиям и малым внутренним флуктуациям.
10 Практическая значимость:
фоновое резонансное электромагнитно-акустическое управление при оптимальном выборе диапазона частот изменяет процессы кристаллизации металлов и сплавов и позволяет получить продукт с другими характеристиками;
фоновое резонансное электромагнитно-акустическое управление сокращает время технологических процессов кристаллизации;
рост поверхностной твердости металлов в режиме сквозных импульсов электрического тока может использоваться для повышения износоустойчивости и уменьшения энергетических потерь в триботехнических узлах машин, для облегчения обработки металлов резанием, штамповкой, вальцовкой, волочением, прокаткой.
На защиту выносится:
сокращение времени неравновесной кристаллизации олова, свинца и их сплавов в режиме фонового резонансного электромагнитно-акустического управления;
изменение пластической деформации металлических олова, свинца, висмута, меди, серебра, никеля, кобальта, циркония, тантала, ниобия, молибдена и вольфрама в режиме сквозных импульсов электрического тока;
3. изменение макроструктуры и микроструктуры олова, свинца и оловянно-
свинцовых сплавов закристаллизованных в режиме фонового
резонансного электромагнитно-акустического управления;
4. теоретические модели влияния сквозных импульсов электрического тока
на микротвердость металлических материалов, изменения кинетики
кристаллизации в режиме фонового резонансного электромагнитно-
акустического управления и фазовопереходной памяти в рамках
кластерного представления конденсированной фазы.
Апробация работы: материалы работы докладывались на: «XIV Российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел», Черноголовка, 2005; V международной конференции "Действие электромагнитных полей на прочность и пластичность материалов", Воронеж, 2003; VI Международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов», Воронеж, 2005; IX Международной конференции по проблемам науки и высшей школы "Фундаментальные исследования в технических университетах", СПб, 2005; Десятая международная конференция «Физика диэлектриков», СПб, 2004; IV Всероссийская конференция по химии кластеров "Полиядерные системы и активация малых молекул", Иваново, 2004; Наука в решении проблем Верхнекаменского промышленного региона, 2005, Березники; Четвертый Международный междисциплинарный симпозиум "Фракталы и прикладная синергетика ФиПС-2005", Москва, 2005.
Публикации: по материалу диссертации опубликовано три статьи и десять докладов и тезисов докладов.
Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы. Содержит 128 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 9 таблиц, список литературы, включающий 208 наименований.
Современные подходы к анализу меэ/счастичных взаимодействий в жидких средах и расплавах
Современные численные методы решения задач многочастичных взаимодействий в жидких средах - статистические и квантово-механические опираются на использование соответственно либо корреляционных функций распределения [54], либо, - на применение дискретно-континуальных моделей [85-90], сочетающих в себе квантовомеханические алгоритмы расчета внутримолекулярных характеристик выделенной частицы и статистический учет ее межчастичных (межмолекулярных) взаимодействий с окружением. Последнее, начиная с определенного масштаба, рассматривается, как правило, в рамках концепции реактивного поля Онзагера, как неупорядоченный поляризуемый континуум [91].
Континуальные и смешанные дискретно-континуальные методы, составляют один из современных подходов к исследованию межчастичных взаимодействий в системах многих взаимодействующих частиц, какими являются конденсированные среды. Они используются для изучения процессов ассоциации, равновесной и неравновесной сольватации и представляют собой эффективный инструмент физико-химического исследования в спектроскопии внутри- и межмолекулярных взаимодействий, а также в ИК лазерной химии при изучении физических механизмов лазерного квантового возбуждения и диссоциации многоатомных молекул. К категории дискретно-континуальных относятся и методы, рассмотренные в настоящем разделе.
Несмотря на многообразие существующих моделей и подходов к рассмотрению конденсированных сред, необходимость решения специфических спектроскопических задач о квантовом возбуждении в них коллективных межчастичных движений (трансляционных, либрационных и ротационных), а также об их взаимных переходах требует создания новых феноменологических подходов, позволяющих связать статистически усредненные параметры низкочастотных колебательных спектров со статистически усредненными структурными параметрами и характеристиками конденсированных сред.
Процессы квантового возбуждения частиц и многочастичных образований в структуре конденсированных сред в широком спектральном диапазоне и последующая релаксация возбужденных состояний в сильной степени опосредованы межчастичными (межмолекулярными) взаимодействиями, которые носят во многом коллективный характер. Исследование таких процессов можно осуществить с привлечением термодинамических континуальных моделей межчастичных (межмолекулярных) взаимодействий. К наиболее перспективным в этом отношении относятся дискретно-континуальные модели, сочетающие в себе квантово-механические алгоритмы расчета характеристик внутримолекулярной структуры выделенной частицы и статистический учет ее межчастичных (межмолекулярных) взаимодействий с окружением. С целью идентификации молекулярной полости, отделяющей выделенную частицу от континуальной среды, а также определения такой ее характеристики, как равновесный структурно-энергетический параметр t& межчастичных (межмолекулярных) взаимодействий используются дополнительные методы. Поскольку межчастичные взаимодействия и межмолекулярные трансляционные, либрационные и ротационные движения в жидкостях имеют статистическую природу, их рассмотрение невозможно без привлечения статистической термодинамики. Статистическое обоснование методов идентификации параметра ,0 остается до настоящего времени одной из проблем количественного описания межчастичных взаимодействий в жидкостях. Оригинальная модель межчастичных взаимодействий и межчастичных движений в конденсированных средах отличается от широко применяемых в спектроскопии ММВ континуальных подходов прежде всего тем, что она опирается на оперирование полными потенциалами Ф(г ) межчастичных взаимодействий в неявной, скрытой форме [92-94], в то время как традиционные методы описания межчастичных взаимодействий базируются на потенциалах Ф(г ) конкретного типа, записанных в аналитически явном виде [95-97], общим свойством которых является их малая трансфер абельность. Это оказывается возможным благодаря рациональному термодинамическому способу введения в рассмотрение набора скрытых внутренних характеристических структурно-энергетических параметров Е межчастичных взаимодействий, обобщенных характеристик состава, строения и микросостояния термодинамических подсистем, входящих в состав конденсированных сред мономеров и кластеров. Такое введение параметров Е сходно по методологии определению величин г в ячеечных термодинамических теориях, но отличается по способу идентификации и алгоритму расчета равновесного объема кластера и соответственно значений Предлагаемое феноменологическое описание неупорядоченных конденсированных сред базируется на квазимакроскопическом приближении, в котором лабильные равновесные статистически значимые надмолекулярные образования идентифицируется как замкнутые подсистемы. Метод открывает целый ряд преимуществ, в частности, оказывается возможным корректно сформулировать проблему о коррелировании соответственных макро- и микро-характеристик, локальных и средних параметров среды и проделать последовательные шаги в их решении. Анализ современного состояния исследований в области применения термодинамических и статистических методов и подходов к решению задач спектроскопии межчастичных (межмолекулярных) взаимодействий в неупорядоченных конденсированных средах показывает, что традиционным для нее является оперирование задаваемыми в явной аналитической форме полными потенциалами ММВ Ф( ), получаемыми в результате интегрирования по объему парных потенциалов с учетом функций распределения g( ), осуществляемого известными способами, в рамках дискретно-континуальных моделей, чаще всего на основе модели Онзагера Беттчера. Существенным недостатком таких моделей является пренебрежение локальной структурой жидкостей и растворов, что не позволяет корректно описывать близкодействующие межчастичные взаимодействия, вследствие того, что сфера, отделяющая континуальное окружение от локальной структуры, строится как молекулярная "полость". В подходе, обоснованном в работах [92-94], пограничная поверхность впервые конструируется с использованием обобщенных термодинамических восприимчивостей — коэффициентов термического изобарического расширения ар и изотермической сжимаемости pV таким образом, чтобы включать равновесный кластер, так что соответствующая полость формируется как кластерное образование.
Разбиение энтальпии меэ/счастичных взаимодействий в жидкостях и расплавах на составляющие
Особое внимание в последнее время привлечено к рассмотрению размерных эффектов в одно- и многокомпонентных твердофазных системах, при этом отмечаются особенности их проявления в микрокристаллических и наноразмерных системах, обсуждаются химические свойства наноразмерных систем, проблемы, связанные со стабильностью и механохимическим синтезом нанокомпозитов и наночастиц [132,133].
Отмечается, что теоретический анализ механизма межфазного поверхностного взаимодействия представляет собой сложную задачу, причем для металлов свойства межзеренных и межфазных границ в настоящее время изучены достаточно хорошо.
Размерными эффектами обычно называют изменение физических и химических свойств твердых веществ при уменьшении размера частиц. В настоящее время показано, что размерные эффекты присущи всем твердым веществам и предложены феноменологические модели, описывающие их на качественном и полуколичественном уровне. Для металлов размерные эффекты исследованы в наибольшей степени. Возрастание интереса к изучению необычных эффектов, наблюдающихся в наноразмерных системах, обусловлено тем, что протекающие в них процессы могут составить основу твердотельных нанотехнологий.
В рамках квазихимического приближения проведено изучение некоторых размерных эффектов в малых частицах щелочных металлов. При этом обнаружен эффект увеличения концентрации вакансий в малых частицах по сравнению с массивным состоянием [134]. Представления о процессах кластеризации используются при обсуждении размерных эффектов в химии гетерогенных систем [135-137]. Особое внимание уделяется изучению структуры, оптических и фотофизических свойств фрактально-структурированных кластеров металлов [138-142]. В частности, показано, что электронные состояния определяются не только размером, но также и геометрической структурой кластера (его фрактальностыо) [143]. Размерные эффекты подразделяют на два типа. К первому типу обычно относят слабые эффекты, связанные с увеличением удельной поверхности при уменьшении размера частиц, когда физико-химические свойства веществ меняются мало, при этом происходящие изменения можно объяснить влиянием поверхности. Чаще всего такие эффекты наблюдаются в кристаллах с характерными размерами более 10 нм, при этом подобные системы принято относить к микрокристаллическим. Ко второму типу причисляют сильные эффекты в ианоразмерных системах, когда происходящие существенные изменения свойств веществ нельзя объяснить как поверхностные явления. Данные эффекты имеют место для небольших частиц, размер которых, как правило, не превышает 10 нм. Для наносистем характерны необычные механические свойства: микротвердость и сверхпластичность. При комнатной температуре микротвердость наносистем в 2-7 раз выше, чем микротвердость соответствующих массивных материалов. Как показывают данные [132,133], микротвердость кластеров по Виккерсу подчиняется соотношению типа Холла - Петча (где HVo - микротвердость массивного металла, d - диаметр частиц) и возрастает с уменьшением их размеров. Представлены результаты измерения микротвердости наносистем, построенных из кластеров таких металлов как Ag, Си, Pd, Fe, Ni. При этом установлено, что уменьшение размера кластеров приводит к увеличению твердости соответствующей наносистемы [132,133]. Микротвердость наносистем зависит также от условий их обработки. Данные условия влияют как на структуру границ раздела и взаимодействие кластеров, так и на их размер. Релаксация и отжиг дефектов на межфазных границах при неизменном размере кластеров Algs Mgu (d 150 нм) приводят к снижению микротвердости от 1,7 до 1,45 ГПа. Отжиг при 475-600 К наносистемы, построенной из кластеров Pd, приводит к увеличению размера кластеров и, как следствие, к уменьшению микротвердости наносистемы почти в 3 раза. В процессе отжига наносистем из кластеров Ag (d 10 нм) микротвердость также уменьшалась, что связывают с увеличением их размеров [132]. Другая особенность наносистем состоит в их сверхпластичности, так, что при растяжении размеры образцов могут увеличиваться в десятки раз без их разрушения. Высокая пластичность и сверхпластичность наносистем может быть объяснена на основании полученной авторами [133] экстремальной зависимости плотности дефектов и избыточной энергии от размера нанокластеров. Для наносистем, построенных из малых нанокластеров с размером менее 10 нм, как правило, дефекты и дислокации немногочисленны, и такие системы проявляют высокую твердость. Для наносистем, состоящих из из кластеров промежуточных размеров (от 10 до 100 нм), число дислокаций максимально, что приводит к высокой пластичности. Напряжения, возникающие на межфазных границах, играют роль стимуляторов роста организованных наносистем. В частности, были рассмотрены самоорганизация и рост сверхрешеток сплава Sio.84Geo.i6 под действием напряжений за счет попеременной адсорбции слоев из атомов кремния и германия на плоскости Si(001) при 380 С. Как показало компьютерное моделирование с помощью упругого поля сил напряжений, возникающих на поверхности слоев, напряжения различаются для слоев, построенных из разных по величине атомов [133]. Организация и самоорганизация нанокластеров в наноструктуры - это задачи, решение которых позволяет приблизиться к созданию материалов нового поколения с уникальными свойствами, которые могут быть модифицированы различными путями: за счет изменения размеров нанокластеров и за счет изменения характера межкластерных взаимодействий. Подчеркивается, что организация наноструктуры из нанокластеров осуществляется по тем же законам, что и формирование кристаллов из атомов, различие состоит в том, что у кластеров имеется реальная поверхность и реальные межкластерные границы. Такие же границы возникают при измельчении массивных образцов с помощью мельницы или в ходе пластической деформации. Формирование наносистем из нанокластеров сопровождается возникновением большого количества дефектов и напряжений, что приводит к кардинальному изменению свойств наносистем [133].
Кристаллизация металлов и сплавов в режиме фонового резонансного электромагнитно-акустического управления (ФРЭМЛУ)
Если число степеней свободы возрастает, в многомерном фазовом пространстве может одновременно возникнуть несколько направленных аттракторов в разных областях, после чего осуществляется переход системы на другие траектории. Это означает деление системы на две или несколько частей. После деления возможна стабилизация (в частности, образование фокусов или предельных циклов) либо обособление образовавшихся частей. Направленные аттракторы могут рождаться последовательно, при этом каждый раз происходит изменение фазовой траектории. При определенных начальных функциях части системы разделяются, а затем вновь объединяются (пройдя через направленный аттрактор), после чего выходят на единую траекторию (рисунок 1.2 [22]).
Особые свойства SQ-СИСТЄМ формируются благодаря запоминанию предыстории, которая действует как направляющая программа, способная накапливать опыт. Это не исключает влияния «вложенной» («генетической») программы. Разрабатывая проблему управления в самом общем виде, надо исходить именно из «генетической» программы поведения объектов различной природы, обнаруживая сходные закономерности и тенденции. Память создает способность к распознаванию ситуаций и выбору поведения, а также — рациональному использованию среды и ситуаций (если генетическая программа предусматривает критерий рациональности). Отсюда — негэнтропишюсть So-систем. Заметим, что информационная память отнюдь не единственно возможная и не главная форма фиксации как «генетической» программы, так и предыстории So-системы. В единстве программы содержится возможность не только функционального, но и морфологического саморазвития программы в процессе взаимодействия системы со средой. В описание системы «генетическая» программа включается при помощи одного или нескольких дополнительных уравнений. Разумеется, So-система может и не иметь исходной генетической программы, она может формироваться (в элементах без выходов) в процессе деятельности системы, а затем после морфологической перестройки (тогда элементы с программой приобретут выходы).
Одновременно специальная часть программ распознает внутри системы разрушенные в процессе ее функционирования структуры, а также те компоненты ассимилированных структур, которые после апробации и взаимодействия с другими компонентами оказались не соответствующими целевой функции системы. Эти бесполезные или вредные для системы структуры и компоненты дессимилируются, пополняя среду. При этом они могут предварительно разлагаться на более простые - если это выгодно.
Физический механизм целенаправленного развития можно представить следующим образом. В области контакта системы со средой система благодаря соответствующей части программы распознает структуры среды и отбирает из них «полезные» для системы. Далее идет преобразование этих структур к определенному виду. Переработанные структуры ассимилируются, частично для наращивания системы, а частично для наращивания программы, вследствие чего последняя расширяется и видоизменяется. Присоединяемые структуры состоят из двух частей: основной (адекватной распознающей программе) и дополнительной, отражающей свойства и состояние среды и не вполне соответствующей программе. Это облегчает работу программы, обеспечивая в дальнейшем расширение диапазона распознаваемых и присоединяемых структур.
То, что любое организующее воздействие на физико-химическую систему сказывается на скоростях протекающих в ней процессов, несомненно. Во-первых, это множество экспериментов. Во-вторых, теоретически это априорный отклик возмущенной системы изменением по крайней мере одного - и как следствие - цепочки параметров состояния, входящих в кинетические характеристики системы. Для равновесной или слабо неравновесной системы это является отражением фундаментальных принципов Ле Шателье и Ле Шателье - Брауна. В соответствии с последним даже равновесная детерминированная (Si) система может дать многообразные, но вполне прогнозируемые при данной совокупности внешних и внутренних условий реакции на внешние возмущения. Для стохастических (S2), хаотических (S3) и тем более сложных (So) систем — открытых и неравновесных, с большим числом степеней свободы и нелинейных по отклику на исчезающе малый внешний сигнал [184] это тем более справедливо, хотя и менее прогностично.
Применение кластерно-континуальнои модели для рассмотрения физико-химических закономерностей разрушения кристаллических металлов
Как отмечалось в Гл.1 режиме стохастического резонанса Б з-системы в области отклика на сигнал и самоорганизации приобретает отдельные черты сложной So-системы: выбор (селективность), память (генезис), кооперативность в передаче как минимум интенсивных параметров состояния. Следовательно, мы должны использовать модели сложного системного анализа.
В Гл.1 так же отмечается, что при используемых эффективных частотах ток антенны распределяется в тончайшем - в несколько микрон -скин-слое поверхности проводника, где происходит ЭМАП [171], т. е. генерация УЗ, для которого любые жидкие, так и твердые фазы, проводники и диэлектрики - дисперсивные среды. Правда, «эффективность» ЭМАП крайне мала. Оценка преобразования энергии плоского однополупериодного тока формы меандра дает акустическое давление или объемную плотность энергии акустического поля в дециметровом (неферромагнитном) кубе ра 70мПа (мДж/м ) при эффективном токе 1А и ЭДС источника 10В [161]. При этом активные (джоулевы) потери в нагрузке составляют милливатты. Нетрудно убедиться, что соотношение акустического приращения свободной энергии молекулы (Aa) (моля AWva) и тепловой энергии молекулы кТ(моля RT) среды влияния плотности р и молярной массы М найдется как rj=(Ac{J/kT=AWV(/RT=paM/pRT Подстановка в эту формулу данных, к примеру, для кристаллизующегося р - олова (Г=7)Й-=505К, /э=7290кг/м , М=0,1187кг/моль) приводит к результату ц 3-Ю"10. То есть акустическая энергия на 9 - 10 порядков ниже теплового уровня, что делает «энергетический фактор» ФРЭМАУ несущественным. Но ведь энергия в управлении - не главное. Наши исследования [162-169] показали наличие нижнего порога мощности влияния ИТ. В охарактеризованных здесь системах проявляются явления самоорганизации (например, автоволны) и полирезонансного отклика на внешние возмущения [25174-179,192-197]. Но если автоволны (как и автоколебания) существуют за счет внутренних обратных связей системы и непрерывных потоков энергии, то наблюдаемый нами эффект реализуется как конвективный пороговый процесс, изначально формируемый на динамической УЗ-ЭМАП «матрице» вблизи излучающей слабые синхроимпульсы антенны. Проявляется же это как своеобразная сигнальная волна, организующая когерентные - согласованные параметрические движения элементов среды, что может иметь весьма разнообразные последствия. Наши исследования показали, что, если отделить объект влияния от антенны тонкой прослойкой прозрачного для ЭМП и непрозрачного для звуков пенополистирола, то происходит срыв эффектов ФРЭМАУ. К этому же приводит гальванический разрыв петли антенны замена магнитного диполя электрическим с отсечкой постоянной составляющей электротока. А это - не что иное, как выключение постоянной и синхронизированной компоненты магнитного поля, что резко обрушивает мощность УЗ ниже порога его организующей способности. Если спектр, фазовые и амплитудные характеристики внешнего сигнала отвечают свойствам системы или ее части, она откликнется так, что амплитуда сигнальной волны будет нарастать. Происходит это в реактивно нелинейных системах (как в лазерах) при многочастотном взаимодействии (количественно - в соответствии с соотношениями квантового синхронизма Мэнли - Роу [198]), когда, например, одна из множества высокочастотных колебательных (фононных) мод конденсированной среды распадается на две (и более) с меньшими частотами и с соответствующим перераспределением энергии и квазиимпульса. Как отмечалось жидкая, предкристаллизационная фаза вещества [2-7,15,25,160-170,173,174-178,199,200] представляют собой сложную композицию различных по размеру и составу НС, содержащих от нескольких единиц до сотен тысяч молекул. Флуктуирующие размеры, расстояния и силы взаимодействия НС, их энергия связи - это все энергоемкие параметры, которые варьируются в процессах и зонах фазовых превращений и химических реакций, А это - потенциальная возможность параметрической раскачки циклических движений НС или их цепочек. Кванты таких движений, будучи по своим статистическим свойствам бозонами, стремятся к самосохранению на одной общей орбитали, и такие волны самоподдерживаются, синхронизируясь на фоне постоянно действующего акустического сигнала. Волны согласованных движений НС без затухания распространяются конвективным сносом именно туда, где помимо самих наноструктур есть источники питания, т. е. вдоль границ химических и фазовых превращений, в среде с особенно низкими значениями коэффициентов переноса (вещества, внутренней энергии и других параметров системы) - т.е. в акустический волновой канал. И будучи запертой в этом слое, акустическая волна уже не угасает, а усиливается и обретает по обстоятельствам статус одного из видов устойчивой автоволны (синхронного пространственного автоколебания, квазисинхронных автоколебаний диссипативных структур (брюсселятор) и др. [179,184-186]). Допуская возможность применения к рассматриваемым системам теории протекания или перколяции для стабильных сред [200], примем и основные ее представления: в кластере-канале проводимости локальные свойства среды существенно изменяются. При условии сохранения локальных механизмов теплопередачи в перколяционных каналах - только за счет уменьшения канальной удельной теплоемкости, зависящей от числа независимых внутренних микроскопических способов энергонакопления, производство температуры возрастает и пространственно выравнивается. Формально - как следствие роста температуропроводности. Выравнивание и «сброс» температуры из спинодальной области — это, помимо кардинального снижения градиентов интенсивных параметров, - повышение теплопроводности [12,13,201-204], что опять же обусловливает рост температуропроводности - и т.д. - петля положительной обратной связи замыкается. Процесс развивается вплоть до образования в пространстве мезофазы вторичного перколяционного кластера-канала качественно иного механизма проводимости. В этом - причина скачкового переброса внутренней энергии и энтропии на расстояние, многократно превышающее среднюю длину свободного пробега фононов [160-169] - возникает своеобразный тепловой пробой: быстрое выравнивание температур в широких пространственных пределах. А это значит - сближение скоростей термически активируемых процессов по объему систем, пространственное изменение и усреднение характеристик продукта. Синхронные движения статистически протяженных цепочек НС - это не что иное, как фактор локального снижения энтропии системы, что неотвратимо приводит к возрастанию энтропии активации любых возможных реакций и, следовательно, увеличению соответствующих скоростей [161].
Похожие диссертации на Управление структурными и пластическими свойствами металлических материалов фоновым электромагнитно-акустическим полем
