Введение к работе
Актуальность темы исследования. Процессы зарождения, роста и взаимодействия фаз находятся в центре внимания современной физики конденсированного состояния. В основе научных представлений о равновесии фаз лежит классическая работа Дж.В. Гиббса [1].
Полное описание процессов фазообразования выходит не только за рамки классической термодинамики, но и линейной неравновесной термодинамики. Отсутствие фундаментальной теории образования фаз в условиях, далеких от равновесия, повышает роль экспериментальных исследований.
Существующие взгляды на взаимодействие фаз при фазовых переходах первого рода не перекрывают спектра имеющегося экспериментального материала. Отсутствие в контактной зоне фаз, имеющихся на диаграмме состояния, возникновение метастабильных состояний в нанослоях, примыкающих к межфазным границам, роль поверхностного слоя на границе взаимодействующих фаз, – вот неполный перечень проблем, требующих решения при исследованиях возникновения и роста промежуточных фаз.
Ряд вопросов, связанных с образованием новых фаз, остаются дискуссионными. В частности, в литературе активно обсуждается природа возникновения промежуточной жидкой фазы в контакте разнородных веществ – контактное плавление. Развитие получили диффузионная и адгезионная гипотезы, которые не охватывают имеющиеся экспериментальные результаты.
Таким образом, актуальна разработка модели образования и роста новой фазы в контакте разнородных веществ, которая соответствует экспериментальным фактам. Эта модель строится на основе рассмотрения особенностей состояния вещества в области контакта разнородных фаз. В частности, непосредственно при приведении в контакт разнородных кристаллов, вещество в области контакта находится в экстремальном состоянии. Реакцией системы на экстремальное состояние является контактное плавление или Т-эффект контактного плавления.
Для выяснения природы указанных особенностей необходима разработка экспериментальных методов изучения физических свойств твердого и жидкого состояния в области контакта разнородных веществ, в частности, состава, фазового состояния, а в случае Т-эффекта и температуры вещества на межфазных границах.
Целью работы является выяснение особенностей возникновения, формирования и развития новых фаз на межфазной границе разнородных веществ, в частности металлов, при фазовых переходах первого рода. Для достижения указанной цели решены следующие задачи:
разработана методика и осуществлена оценка толщины поверхностного слоя на границе жидкий металл–собственный пар и межфазного слоя между твердыми растворами;
экспериментально исследована кинетика роста жидкой фазы в двухкомпонентных металлических системах простого эвтектического типа и содержащих промежуточные фазы. Контактные пары составляли чистые металлы, твердые растворы, интерметаллиды;
построена математическая модель роста промежуточных фаз, учитывающая объемные эффекты фазовых переходов первого рода;
разработана методика измерения температуры контакта разнородных веществ в процессе фазовых переходов первого рода. С помощью разработанной методики исследован Т-эффект контактного плавления в системах с конгруэнтно и инконгруэнтно плавящимися промежуточными фазами;
на основе результатов исследования возможности Т-эффекта контактного плавления в ртутных системах сформулировано правило знаков тепловых эффектов зарождающихся фаз;
разработана и применена методика компьютерного эксперимента для исследования роста промежуточных фаз в контакте разнородных металлов.
Научная новизна. В процессе выполнения работы впервые получены следующие научные результаты:
разработана методика и осуществлена оценка энтропии межфазного слоя, образуемого контактом твердых растворов. Показано, что в отличие от критического фазового перехода, толщина межфазного слоя, образованного эвтектической парой твердых растворов при эвтектической температуре, конечна;
построена математическая модель диффузионного роста промежуточной жидкой фазы, учитывающая объемные эффекты плавления;
сформулированы представления о последовательности процессов, происходящих при контактном плавлении, адекватные экспериментальным результатам, согласно которым промежуточные твердые фазы и насыщенные твердые растворы образуются в контактной прослойке в результате распада метастабильных участков жидкой прослойки;
разработан способ измерения температуры контакта разнородных веществ в процессе фазовых переходов первого рода. Измерена температура контакта пар образцов систем с промежуточными твердыми фазами в процессе Т-эффекта контактного плавления;
исследована возможность спекания образцов ртутных систем с промежуточными фазами при температурах, ниже эвтектических. На основе полученных результатов сформулировано правило знаков тепловых эффектов зарождающихся фаз;
разработана методика компьютерного эксперимента, имитирующего контактное плавление в нестационарно–диффузионном режиме. С помощью компьютерного эксперимента исследовано контактное плавление в простых эвтектических системах и в системах с промежуточными твердыми фазами. Подтверждена возможность осуществления последовательности процессов, включающих образование и последующий распад метастабильной жидкости. Полученные результаты адекватны результатам реального эксперимента.
Достоверность полученных результатов обеспечена
использованием апробированных экспериментальных методов, соответствующих задачам исследования, и корректной оценкой погрешностей измерений;
единством экспериментальных результатов, их интерпретации и соответствующей этим результатам модели явлений, происходящих при зарождении и росте промежуточных фаз в контакте разнородных металлов;
непротиворечивостью предложенных решений известным положениям теплофизики и физики конденсированного состояния.
Практическая значимость работы. Методика оценки толщины поверхностного слоя применяется при исследованиях поверхностных и межфазных явлений.
Оценка температурного коэффициента поверхностного натяжения, характеризующего межфазную границу твердых растворов, составляющих эвтектическую пару, может использоваться как в теории межфазного взаимодействия, так и в практических целях, например для оптимизации режимов гомогенизации сплавов.
Разработанная методика косвенного измерения состава жидкости на границе с кристаллами применяется для исследования фазообразования в контактной зоне.
Способ измерения температуры в контакте разнородных образцов применяется для исследования кинетики фазовых превращений и химических реакций, происходящих между твердыми телами.
Разработанные представления о процессах, происходящих при Т-эффекте контактного плавления, позволяют целенаправленно подходить к выбору компонентов для осуществления соединения образцов при температурах, ниже эвтектической.
Методика компьютерного эксперимента, разработанная для исследования контактного плавления в простых двухкомпонентных эвтектических системах и системах с промежуточными фазами, применяется для исследования фазообразования в контакте разнородных веществ.
Сведения о природе состояния вещества на границе разнородных фаз находят применение в металлургии, порошковой металлургии, микроэлектронике, где используются сплавы с диаграммами состояния эвтектического типа. Исследование процессов формирования переходных слоев необходимо для создания конструкционных материалов с заданными свойствами, так как механические и коррозионные свойства конструкционных материалов в конечном итоге определяются фазовым составом и состоянием межфазных границ. Детальный анализ явлений, происходящих на межфазных границах важен при разработке электронных приборов с различными типами электронно-дырочных переходов. Перспективным направлением практического применения результатов исследований фазообразования на межфазных границах является разработка и совершенствование композиционных и наноматериалов.
Изложенные в работе представления о возникновении и росте промежуточных фаз используются в процессе преподавания курса «Строение и теплофизические свойства металлов и сплавов» и в специальном физическом практикуме для студентов специальности "Физика" Уральского государственного технического университета–УПИ. Методика расчета эффективной толщины поверхностного слоя применяется в курсе физики поверхностных явлений, читаемом студентам физического факультета Чеченского государственного университета.
Основные положения, выносимые на защиту:
роль межфазного слоя, образованного компонентами эвтектической пары, в процессе зарождения жидкой фазы при контактном плавлении;
методика определения и экспериментальные результаты измерений состава жидкости на границе с исходными твердыми фазами при контактном плавлении в простых эвтектических системах и в системах с промежуточными твердыми фазами;
способ и результаты измерения температуры контакта при Т-эффекте контактного плавления;
модель реализациии условий квазиравновесности на межфазных границах путем кристаллизации метастабильной жидкости;
методика и результаты компьютерного эксперимента по исследованию контактного плавления с возможностью образования метастабильной жидкости.
Личный вклад автора. Диссертация представляет итог самостоятельной работы автора, обобщающий полученные им, а также в соавторстве с сотрудниками результаты. Соавторы участвовали в апробации авторских свидетельств и патента, проведении экспериментов, обработке и обсуждении некоторых результатов, за что автор им благодарен.
Автору принадлежит выбор направления работ, трактовка и обобщение большинства полученных результатов.
Научный консультант, профессор А.А. Повзнер, участвовал в обсуждении отдельных результатов, и постановку некоторых задач, за что автор выражает свою признательность.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на межвузовской научной конференции по физике межфазных явлений и избранным вопросам математики (Нальчик, 1971 г.), на VII-XI Всесоюзных конференциях по поверхностным явлениям в расплавах и твердых фазах (Грозный, 1976 г., Киржач, Моск. обл., 1980, 1986, Николаев, 1982, Киев, 1991), на III и XIII Чтениях по физике Северо-Кавказского научного центра высшей школы (Ростов-на-Дону, 1975, 1985), на Всесоюзных школах молодых ученых по поверхностным явлениям в расплавах (Нальчик, 1978, Грозный, 1988), на II Всесоюзной конференции по поверхностным явлениям в жидкостях (Ленинград, 1978), на V Всесоюзном семинаре "Магнетизм редкоземельных сплавов" (Грозный, 1988), на Всесоюзном семинаре "Проблемы зонной теории кристаллов" (Грозный, 1990), на II Всесоюзном совещании "Метастабильные фазовые состояния – теплофизические свойства и кинетика релаксации" (Свердловск, 1989), на International Conference "Hight Temperature Capillarity" (Smolenice Castle, Bratislava, Slovakia, 1994), на IX-XI Российских конференциях "Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов" (Екатеринбург, 1998, 2001, 2004), на VI региональной конференции "Вузовская наука Северо-Кавказскому региону" (Ставрополь, 2002), на X, XI Российских конференциях по теплофизическим свойствам веществ (Казань, 2002, Санкт-Петербург, 2005), на международной конференции "Фазовые переходы и критические явления в конденсированных средах" (Махачкала, 2005), на I-IV Всероссийских конференциях "Физические свойства металлов и сплавов" (Екатеринбург, 2001-2007), на 13 International Conference on Liquid and Amorphous Metals (Ekaterinburg, 2007).
Публикации. Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в работах [1-39], список которых приведен на последних страницах автореферата. Отдельные результаты работы защищены четырьмя авторскими свидетельствами и патентом.
Объем и структура и диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, включающего 229 названий. Материал изложен на 303 страницах и проиллюстрирован 87 рисунками и 13 таблицами.
