Теория метастабильной кристаллизации переохлажденного эвтектического расплава

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

Аннотация


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.

Ключевые слова


теория роста; рост кристаллов; метастабильная фаза; бездиффузионный рост; аморфные металлы; нанокристаллические металлы железо–бор

Полный текст:

PDF

Литература


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 Solidification / 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 металлургия. – 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 Solidification 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 физической 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.


Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.