Исследователи Южно-Уральского государственного университета разработали математическую модель, которая позволяет подробнее изучать рост кристаллов в переохлажденных металлических расплавах. Результаты работы опубликованы в международном научном журнале.
От того, как формируются кристаллы в расплавленном металле, во многом зависят свойства будущего материала — его прочность, структура и устойчивость к нагрузкам. Именно поэтому процессы кристаллизации остаются одной из ключевых тем для металлургов и материаловедов.
Ученые ЮУрГУ Максим Дудоров и Александр Дрозин сосредоточились на сложном случае — глубоко переохлажденных металлических расплавах. В таких условиях кристаллы растут настолько быстро, что привычные модели начинают давать заметные погрешности.
Проблема связана с тем, что атомы не всегда успевают перераспределяться возле поверхности растущего кристалла. Из-за этого возникают процессы, которые классические расчеты описывают не полностью.
Челябинские исследователи предложили другой подход. При построении модели они использовали методы неравновесной термодинамики и вариационного исчисления. Главное отличие заключается в том, что система учитывает изменение концентрации компонентов непосредственно у поверхности кристалла по мере его роста, а не рассматривает ее как постоянную величину.
Работу модели проверили на примере формирования триборида железа в переохлажденном расплаве. Расчеты показали: состав вещества возле поверхности кристалла может заметно меняться в ходе процесса. Если эту динамику не учитывать, ошибки в определении скорости роста становятся существенными.
Как пояснил профессор Александр Дрозин, раньше во многих расчетах предполагалось, что концентрация компонентов на поверхности остается близкой к равновесной. Полученные результаты показывают, что при сильном переохлаждении такое допущение работает не всегда.
Сейчас модель описывает начальный этап роста отдельного кристалла. Следующая задача исследователей — научиться рассчитывать одновременное развитие множества кристаллических центров. Это позволит приблизить математические модели к реальным процессам затвердевания металлов, которые происходят в промышленности.
Автор: Татьяна Николаева