Физики Уральского федерального университета рассчитали, как улучшить свойства сплава железа и никеля (инвар). Благодаря их математической модели, сплав может получаться более однородный, что сказывается на характеристиках готового изделия. Описание модели и поведения расплавов, а также аналитические расчеты ученые опубликовали в журнале Scientific Reports. Исследование поддержал Российский научный фонд (проект № 21-79-10012).
Благодаря математической модели ученые определили, что важную роль в технологии создания изделий из инвара, а именно в процессе затвердевания, играет набегающий поток: когда при охлаждении сплава жидкий слой натекает на затвердевший. Если регулировать этот процесс, можно управлять характеристиками материала, получать более однородную структуру, улучшая таким образом свойства конечного продукта.
«Поясню суть работы с помощью аналогии. Когда вода замерзает, она выталкивает из себя всю грязь. Поэтому можно взять кусочек льда в рот, он будет чистый. Примерно также происходит и с расплавами при охлаждении. Только они выталкивают не все примеси, а часть. Часть примесей выходит наружу, а часть остается в расплаве. То, что остается в расплаве, заполняет промежутки между кристалликами, которые затвердевают, и пустоты, которые остаются. В итоге сплавы получаются неоднородные: один крохотный кусочек обогащен, а соседний — нет. И это влияет на свойства готового изделия», — говорит руководитель лаборатории многомасштабного математического моделирования УрФУ Дмитрий Александров.
Работа ученых крайне важна, так как сплавы никеля и железа используют при создании высокоточных приборов: часы, сейсмические датчики, подложки для чипов, клапаны и двигатели в авиаконструкциях, приборы для телескопов.
Главное, что показали ученые — это процессы в двухфазном слое: слой, в котором находится и твердая, и жидкая фазы, внутри него происходит превращение из жидкого состояния в твердое. В этом процессе и определяется, каким будет готовое изделие.
«Этот слой полностью меняет сценарий кристаллизации. Например, температура в каждой точке этого слоя ниже температуры кристаллизации, а кристаллики и дендриты выделяют теплоту фазового превращения и таким образом частично компенсируют переохлаждение. Кроме того, растущая твердая фаза вытесняет растворенную примесь, что снижает температуру кристаллизации. Эти процессы приводят к образованию сложных разветвленных структур твердой фазы, промежутки между которыми заполняются жидкостью с более высокой концентрацией примесей», — поясняет суть процесса старший научный сотрудник лаборатории математического моделирования физико-химических процессов в многофазных средах Любовь Торопова.
Справка
Инвар — от слова «неизменный», так как сплав почти не расширяется или не сжимается при изменении температуры. Первый инварный сплав открыл швейцарский ученый Шарль Эдуард Гийом в 1896 году. В 1920-м он получил за это Нобелевскую премию по физике.
Сплав из никеля и железа используют, когда необходима серьезная стабильность размеров готовых деталей: в точных приборах, часах, клапанах и пр. Одно из первых применений инвара — стержни для маятниковых часов. В то время, когда маятниковые часы были изобретены, они были самым точным хронометром в мире. Сегодня инвар используют и в астрономии — в качестве компонентов, поддерживающих чувствительную к размеру оптику астрономических телескопов.
УрФУ — один из ведущих вузов России со столетней историей, один из лидеров программы «Приоритет–2030», № 1 в стране по объемам приема. Расположен в Екатеринбурге — столице Всемирных летних студенческих игр 2023 года, городе-победителе отбора Правительства России на создание университетских кампусов. Вуз выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ).
УрФУ оперативный — в телеграм.