Фізичні основи парного росту фаз сплавів за нерівноважних перетворень

У разі утворення складної мікро- та макроморфології, як це має місце в системі Fe-Fe₂B, при визначенні умов схильності до роздільного або сумісного росту фаз, особливого значення набуває дослідження зональної будови евтектичних конструкцій та вплив швидкості охолодження на швидкість росту зон з різною морфологією. Відповідно до наданої структурної схеми зональної будови евтектичної колонії -Fe₂B, можна написати:

,

де: , , , - відповідно швидкості росту евтектичного пакета в зоні з пластинчастою, стрижневою або стільниковою структурою, для яких запропоновано наступні вирази:

і .

Для плоскогранної колонії, що сформувалася при малій швидкості охолодження, . При подавленні розвитку зон з пластинчастою будовою швидкості росту перерозподіляються таким чином: . Наданий розподіл швидкостей дає можливість подавити і шляхом збільшення швидкості росту стрижневих структур (). Нерівномірність розподілу швидкостей росту за об'ємом колонії є необхідною умовою утворення конгломератних структур. В загальному випадку цей показник дозволяє компенсувати нерівномірний розподіл фаз. Такий характер кристалізації забезпечує безперервне зростання кристалів обох фаз при відсутності кооперативного росту.

У даному розділі розглянуто також питання про роль термокінетичної діаграми перетворення переохолодженої рідини при описанні процесів нерівноважного затвердіння сплавів евтектичних систем. Діаграми стану з евтектичним перетворенням так, як і інші діаграми фазової рівноваги, побудовано лише за умов сповільненого охолодження. Внаслідок цього така діаграма не відбиває всього різноманіття перетворень, які може зазнавати переохолоджена рідина під впливом кінетичних факторів. У той же час експериментальні дослідження впливу швидкості охолодження на процеси фазових перетворень в системах евтектичного типу свідчать про те, що рідка фаза за певних умов охолодження може зазнавати і квазіевтектичне перетворення. Крім того, одним з ефектів нерівноважного затвердіння розплаву є виникнення аморфного стану, що теж відбивають термокінетичні діаграми. Слід зауважити наступне: всі перелічені перетворення можуть відбуватися при безперервному охолодженні розплаву.

На запропонованій діаграмі існує три області фазових перетворень. С-подібні криві описують термокінетичні умови евтектичного та квазіевтектичного перетворень, які розділяє критична швидкість охолодження для даного сплаву. Горизонтальна лінія відповідає температурі склування Т_g. Область І показує термокінетичні умови евтектичного перетворення за фазовою реакцією Р> (Ф₁+Ф₂)_евт. Область ІІ відповідає області квазіевтектичного перетворення, для якого фазова реакція має наступний вигляд: Р> (Ф₃+Ф₄)_{квазіевт}. Область ІІІ - це область аморфного стану сплаву, на який перетворюється переохолоджена рідина нижче температури Т_g при перевищенні певної критичної швидкості охолодження за реакцією: Р> АС. Таким чином, термокінетична діаграма перетворення переохолодженої рідини в системах евтектичного типу відбиває можливі рівноважні та нерівноважні перетворення в системі за різних умов охолодження розплаву.

Розділ 5. Особливості парного росту фаз за умов нерівноважних фазових переходів. У розділі розглянуто результати досліджень таких видів самоорганізованих структур розпаду як квазіевтектики і псевдоморфози.

5.1. Квазіевтектики - новий клас мікрокристалічних матеріалів.

Узагальнення термодинамічних параметрів та кінетичних факторів фазового переходу, розроблених в попередніх розділах, дає можливість оцінити сутність основних умов квазіевтектичності та з достатньо високим ступенем вірогідності прогнозувати квазіевтектичну кристалізацію з рідких розплавів систем з евтектичним перетворенням. При дослідженні квазіевтектик на значну увагу заслуговує той факт, що квазіевтектична кристалізація може відбуватись не тільки за перерізом охолоджуваного зразка. Квазіевтектичні структури спостерігали і в окремих частинах зразків. У даному розділі наведено результати експериментальних досліджень різних структурних типів квазіевтектик у системах з евтектичним перетворенням. Об'єктами для експериментів були як системи без проміжних фаз, так і системи з проміжними фазами. Встановлено, що квазіевтектики можуть мати різні морфологічні типи при багатоетапній метастабільній кристалізації. При цьому встановлено, що, по-перше, в сплавах можуть утворюватись декілька квазіевтектик (система Al-Ge), послідовність виникнення яких визначає термокінетична діаграма. При цьому дослідженнями фазового складу квазіевтектик в сплавах системи Аl-Ge встановлено, що при зростанні швидкості охолодження утворюється твердий розчин в на базі германію, який є однією з фаз квазіевтектик. Максимально досягнута розчинність алюмінію в в-твердому розчині в сплаві Al+55%Ge ат. складає 11,6 % Al ат. при швидкості охолодження 10² К/с. При зростанні швидкості охолодження до 10⁴ К/с розчинність знижується майже вдвічі - до 6,7 % Al ат. По-друге, квазіевтектики можуть утворюватись поряд з евтектиками (система Fe-B-C), що теж визначають термокінетичні діаграми сплавів. Запропоновано гіпотетичні термокінетичні діаграми для всіх досліджених сплавів системи Al-Ge та для сплавів Fe-B-C. Крім того встановлено, що квазіевтектичні структури можуть утворюватись не тільки в сплавах евтектичного типу, що свідчить про різні механізми даного процесу. Подавлення рівноважних фазових перетворень може спричиняти появу квазіевтектичних структур і в інших системах, наприклад, в системах з перитектичними перетвореннями (система Fe-B).

При узагальненні експериментального матеріалу показано, що квазіевтектичні структури можуть мати широке коло фазових складів за нерівноважних умов затвердіння рідкої фази. Аналіз особливостей формування фазового складу квазіевтектик свідчить, що ці структури можуть виникати не тільки при кристалізації рідини. Зроблено припущення про можливість твердофазної квазіевтектичної кристалізації, коли вихідною фазою слугує аморфний стан сплавів, що підтверджено результатами експериментів.

Поява квазіевтектичних структур в сплавах неевтектичного складу спричиняє пошук схожостей й відмінностей між евтектиками і квазіевтектиками, між евтектичною і квазіевтектичною кристалізацією.

Порівняльний аналіз дає можливість зробити висновки про існування загальних ознак цих процесів, серед яких можна виділити наступні.

Обидва процеси є фазовими перетвореннями першого роду. Евтектичне і квазіевтектичне перетворення є кристалізаційними процесами.

І евтектична, і квазіевтектична кристалізація можуть мати місце як в подвійних, так і в багатокомпонентних системах.

В бінарних системах сплавів і при евтектичному, і при квазіевтектичному перетвореннях приймають участь три фази. В обох випадках фазову реакцію можна віднести до фазових реакцій розпаду.

4. Вихідною фазою в обох перетвореннях є некристалічна фаза. Кінцевими фазами в перетвореннях завжди є кристалічні фази.

5. У будь-якому випадку і евтектика, і квазіевтектика є продуктами кооперативного росту фаз при можливому різному характері кооперативності.

6. І при евтектичній, і при квазіевтектичній кристалізації можуть утворюва-тись надлишкові кристали відповідних фаз. І евтектика, і квазіевтектика можуть бути присутніми в сплаві.

Ще більшу зацікавленість викликає аналіз суттєвих відмінностей між зазначеними перетвореннями, основними серед яких є такі.

1. Евтектичне перетворення відбивають діаграми фазової рівноваги через горизонтальну лінію трифазного перетворення, яка свідчить про сталу температуру евтектичної кристалізації. Температура квазіевтектичної кристалізації може змінюватись в залежності від ступеня переохолодження рідини або швидкості нагріву аморфного стану і не відбивається на діаграмах фазової рівноваги.

2. При евтектичній кристалізації склад вихідної рідкої фази завжди строго відповідає евтектичній точці діаграми фазової рівноваги. При квазіевтектичному перетворенні склад вихідної фази не відіграє такої значної ролі, не відповідає певній точці діаграми стану й може значно відрізнятися від концентрації евтектичної точки на діаграмі фазової рівноваги.

3. В евтектичному перетворенні беруть участь фази, склад й співвідношення між якими строго визначається діаграмою стану евтектичної системи.

При квазіевтектичній кристалізації фази, по-перше, можуть мати склад, що відрізняється від складу евтектичних фаз. Прикладом може бути утворення пересичених твердих розчинів різного ступеня пересичення при прискореному охолодженні. По-друге, може змінюватись співвідношення між фазами. Цей випадок має місце при відсутності розчинності компонентів в твердому стані. При охолодженні квазіевтектична кристалізація в системах евтектичного типу відбувається при прискореному охолодженні сплавів, коли можуть подавлятися процеси виділення первинних кристалів відповідної фази в доевтектичних або заевтектичних сплавах. При цьому кожного разу утворенню квазіевтектики відповідає певне співвідношення між фазами.

4. В результаті евтектичного перетворення формується структура із рівноважним фазовим складом. При цьому співвідношення між евтектичними партнерами та їх хімічний склад строго визначаються діаграмою фазової рівноваги.

При квазіевтектичній кристалізації продуктами перетворення можуть бути як стабільні, так і метастабільні фази. При квазіевтектичній кристалізації стабільними партнерами можуть бути компоненти системи (при відсутності розчинності). При наявності розчинності компонентів в твердому стані квазіевтектики утворюють метастабільні тверді розчини на базі стабільних і метастабільних проміжних фаз. Крім того, квазіевтектики із стабільним фазовим складом можуть формуватися при розпаді аморфного стану пiд час нагрiвання.

5. При відхиленні складу сплаву від евтектичної точки відбувається виділення надлишкових кристалів відповідної фази, що відбиває певна область діаграми стану. При квазіевтектичній кристалізації виділення надлишкових кристалів залежить від швидкості охолодження й досягнутого ступеня переохолодження.

6. Евтектичні бікристали можуть утворювати фази з різними формами росту - як округлої, так і плоскогранної - і в різних комбінаціях, що виявляється на морфологічному типі евтектичної колонії. В бікристалітній колоніальній квазіевтектиці партнери завжди мають дендритну форму росту. У випадку пари з плоскогранними формами росту може змінюватись механізм парного росту, при якому з'являється можливість множинного зародження фаз. При цьому формується так звана конгломератна структура, що являє собою суміш кристалів квазіевтектичних партнерів. В обох випадках квазіевтектичні структури відрізняє високий ступінь диференціювання (при сумісному механізмі парного росту) або дисперсності (при роздільному механізмі).

7. Евтектична кристалізація може мати місце тільки в системах евтектичного типу і зумовлюється видом й положенням ліній діаграми фазового стану. Квазіевтектичне перетворення може відбуватись не тільки в системах з евтектичною фазовою реакцією, а і, наприклад, при подавленні перитектичного перетворення (в системі Fe-B). Крім того, квазіевтектична кристалізація може мати місце при розпаді аморфного стану сплаву в будь-якій системі.

8. Евтектичне перетворення може відбуватися при охолодженні як за умов, близьких до рівноважних, так і за нерівноважних умов фазових переходів, але при певному переохолодженні й швидкості охолодження. Квазіевтектична кристалізація рідини має місце тільки за значно нерівноважних умов.

9. При утворенні евтектики вихідною фазою завжди є тільки рідка фаза. Таким чином, евтектичне перетворення є виключно кристалізаційним процесом з рiдкого стану, і фазова реакція має такий вигляд:

рідина > тверда фаза + тверда фаза.

При квазіевтектичному перетворенні вихідними фазами можуть бути як рідка, так і тверда фази (тобто розплав або аморфний стан сплаву). Якщо вихідною є рідка фаза, то квазіевтектика виникає в результаті кристалізації рідини:

рідина > тверда фаза + тверда фаза.

Вихідною твердою фазою може бути аморфний стан - в цьому випадку має місце твердофазний кристалізаційний процес:

аморфний стан > тверда фаза + тверда фаза.

10. Евтектичне перетворення може відбуватися тільки при охолодженні, тобто при кристалізації рідини, що відбивають діаграми стану.

Квазіевтектичне перетворення може відбуватися в процесі кристалізації як при охолодженні з рідкої фази, так і при нагріванні аморфних металевих матеріалів. Через те, що квазіевтектичне перетворення відбувається за умов нерівноважних фазових переходів, воно не відбивається на діаграмах фазової рівноваги даної системи.

11. Евтектичне перетворення як кристалізаційний процес відбувається з виділенням тепла. Процес утворення квазіевтектичних структур може відбуватись як з виділенням тепла (під час кристалізації квазіевтектик з рідкого стану), так і з поглинанням тепла (при розпаді аморфного стану при нагріванні).

Аналіз результатів досліджень свідчить про те, що квазіевтектична кристалізація охоплює більш широке коло, по-перше, складів як вихідних фаз, так і продуктів перетворення і, по-друге, умов і механізмів реалізації цього процесу в порівнянні з евтектичним перетворенням.

Таким чином, розвиток сучасних методів отримання матеріалів за умов значних відхилень від рівноваги й поява нових класів мікрокристалічних і аморфних матеріалів дозволяє розширити використання терміну „квазіевтектика” й наповнити його більш глибоким змістом.

Квазіевтектичними пропонується вважати двофазні (багатофазні) кристалічні структури, які виникають в сплавах внаслідок фазової реакції розпаду, коли вихідною є некристалічна фаза. Така пропозиція визначення поняття “квазіевтектика” є, на наш погляд, більш узагальненою. Вона враховує не тільки різні механізми виникнення квазіевтектичних структур в евтектичних системах сплавів за різних умов фазових переходів, а і включає випадки утворення таких структур в системах іншого типу. З іншого боку, треба обов'язково враховувати й те, що зазначені структури можуть утворюватись і в багатокомпонентних системах, де процеси перетворень значно ускладнюються, що відбивається й на фазовому складі сплавів.

У розділі узагальнено дані експериментів щодо умов виникнення квазіевтектичних структур та їх різновидів з метою проведення класифікації квазіевтектик. Основними класифікаційними ознаками пропонуються наступні: термічні умови утворення квазіевтектики або знак переохолодження (при охолодженні, коли Т0, і при нагріванні, коли Т0); тип квазіевтектичного партнера (стабільні і метастабільні) та ступінь кооперативності квазіевтектики (колоніальні та конгломератні).

5.4. Псевдоморфози структур в сплавах евтектичного типу. У розділі детально досліджено один з видів “квазі”-структур, а саме, псевдоморфози. Псевдоморфози - це структури, які, з точки зору рівноважного структуроутворення, мають несумісні морфологію і фазовий склад. Фази, що входять до складу псевдоморфози, не можуть формувати структуру з морфологією, яку формують рівноважні фази. Механізми виникнення псевдоморфоз можуть бути різними. Реалізацією одного з них можуть бути псевдоморфози при розпаді метастабільних проміжних фаз, що утворилися за умов нерівноважної кристалізації. Прикладом може бути проста подвійна система евтектичного типу Al-Ge, в сплавах якої при прискореному охолодженні утворюється метастабільна проміжна фаза AlGe, яка є матрицею цілої низки метастабільних квазіевтектик сотового типу, а другою фазою є алюмінієвий твердий розчин. Під час розпаду метастабільної фази зберігається морфологічний тип колонії метастабільної квазіевтектики при тому, що фазовий склад відповідає рівноважному: алюмінієвий твердий розчин рівноважного складу і германій, що було підтверджено результатами рентгеноструктурного аналізу. В той же час евтектика в цій системі, яка виникає під час сповільненого охолодження, має зовсім інший морфологічний тип - скелетний. При такій морфології матрицю колоній складає ведена фаза - алюмінієвий твердий розчин.

Шляхом морфологічних досліджень встановлено, що іншим механізмом формування псевдоморфоз може бути евтектико-перитектичне перетворення. Передумовою для цього може бути існування на рівноважній діаграмі стану каскадних фазових переходів, а також багатофазних перетворень, які поєднують перитектичне розчинення з евтектичною кристалізацією. Прикладом формування таких псевдоморфоз можуть бути перетворення в потрійній системі Fe-B-C.

Аналіз результатів досліджень явища псевдоморфози свідчить про багатоваріантність цього ефекту нерівноважних умов фазових переходів. Це дає можливість дещо узагальнити отримані результати й запропонувати класифікацію псевдоморфоз за наступними ознаками: вид псевдоморфози за фазовим складом і морфологією (псевдоморфоза метастабільної структури по стабільній і псевдоморфоза стабільної структури по метастабільній); термічні умови виникнення псевдоморфоз (ті, що виникають при охолодженні, й ті, що формуються при нагріванні) та ступінь кооперативності псевдоморфоз (колоніальні та конгломератні).

5.3. Основні види самоорганізованих структур за нерівноважних умов фазових реакцій розпаду. У даному розділі розглянуто синергетичні схеми перетворень переохолодженої рідини в системах із фазовими реакціями розпаду, які дозволяють виділити фундаментальні механізми структуроутворень і описати кінетику фазових трансформацій в залежності від швидкості охолодження. Загальну картину еволюції системи надано у вигляді досить розгалуженої схеми, яка відбиває можливі траєкторії еволюції, які флюктуірують в точках біфуркації. При цьому сутність розвитку процесів структуроутворення полягає в самоорганізації процесу послідовної зміни механізмів фазових трансформацій при переході точки біфуркації за умов охолодження сплавів даної системи з різною швидкістю. При цьому для кожної схеми пропонуються наступні варіанти. Перший варіант побудовано у відповідності до класичних уявлень щодо процесів структуроутворень в системах з евтектичним та евтектоїдним перетвореннями. На думку автора даної роботи, в цих уявленнях переважає металознавський підхід до проблеми. Інший варіант схеми більш чітко дотримується фізичної сутності процесів, які відбуваються. В другому варіанті схеми введено термін „самоорганізовані структури розпаду рідини (ССРР)”, в якому об'єднуються всі структури, що утворюються за умов фазових реакцій розпаду переохолодженої рідини, тобто, користуючись сучасною термінологією, структури евтектичного типу. Надана схема показує, що евтектики є тільки одним з видів ССРР, а все інше - це стабільні й метастабільні ССРР, які, за сучасною термінологією, являють собою квазіевтектики.

Аналогічні варіанти схем еволюції побудовано і проаналізовано для систем з евтектоїдним перетворенням.

Розділ 6. Вплив самоорганізованих структур розпаду на властивості матеріалів. Розділ присвячено дослідженню впливу різних типів “квазі”-структур на властивості матеріалів.

6.1. Вплив «квазі»-структур на властивості матеріалів. У розділі наведено результати порівняльного аналізу впливу квазіевтектичної кристалізації за участю рідкої фази та твердофазної квазіевтектичної кристалізації на властивості сплавів. У першому випадку вплив є позитивним через усунення явища ліквації та підвищення ступеня дисперсності структури. У другому випадку твердофазна квазіевтектична кристалізація призводить до негативних наслідків та значного зниження всіх унікальних фізико-хімічних властивостей аморфного сплаву.

На прикладі системи Fe-B показано, що при складній мікроморфології колоніальних структур зміна зональної будови бікристала відбивається на його властивостях. Мікротвердість блочних і пластинчастих структур вища ніж стрижневих. Збільшення швидкості охолодження зменшує різницю між мікротвердістю зон з різною структурою і збільшує загальну мікротвердість евтектики. Пластинчасті, стрижневі і стільникові зони колоній мають також різну здатність до крихкого руйнування. При прикладанні напружень розтягування в пластинах боридів утворюється більша кількість тріщин, ніж в стрижневих і стільникових структурах, які формуються при прискоренні охолодження. Таким чином, підвищення швидкості охолодження змінює зональну будову колоній, підвищує її структурну однорідність і зменшує кількість тріщин, що виникають під дією механічних навантажень.

В даному розділі також наведено аналіз результатів дослідження впливу самоорганізованих структур розпаду на властивості поверхневих шарів при використанні сплавів евтектичного типу в якості покриттів. Встановлено, що легування свинцево-олов'яних сплавів елементами (Bi, As, Zn, Cu), що утворюють легкоплавкі квазіевтектики, дає можливість отримувати покриття на стальній основі з підвищеною корозійною стійкістю, зниженою пористістю, кращою адгезією до стальної основи при зменшенні його різнотовщинності. Використання менш дефіцитних елементів дає змогу економити дороге олово при одночасному поліпшенні якості покриття.

6.2. Дослідження впливу комплексної обробки на властивості поверхневих шарів. В розділі досліджено особливості отримання поверхневих шарів із квазіевтектичною структурою з метою підвищення експлуатаційних характеристик виробів, що працюють за умов інтенсивного зношування. На особливу увагу заслуговують результати вивчення впливу високошвидкісного охолодження при гартуванні з нагрівом струмами високої частоти на поведінку борованої поверхні.

Встановлено, що високошвидкісне охолодження після дії висококонцентрованих джерел енергії дозволяє керувати процесами структуроутворення шляхом формування "квазі"-структур і, таким чином, впливати на властивості матеріалів. Зокрема доведено, що при дії високоенергетичних струмів високої частоти при певних режимах обробки виникає явище контактного плавлення, а високошвидкісне охолодження під час гартування призводить до виникнення текстури боридного шару за площиною (002) й до формування між поверхневим шаром боридів і сталевою основою двофазної зони з тонкодиференційова-ною квазіевтектичною структурою. Доведено бікристалітну колоніаль-ну будову даної зони. Квазіевтектичними фазами є: з одного боку - борид Fe₂B, а з іншого - г-твердий розчин. Саме утворення бікристалітного прошарку структурно зв'язує боридний шар з основою. Внаслідок виникнення текстури і квазіевтектичної зони значно підвищуються зносостійкість та адгезійні властивості робочої поверхні.

Таким чином, експериментально доведено можливість отримувати природний композиційний матеріал, де, змінюючи швидкість нагрівання і охолодження, можна формувати поверхневий шар із квазіевтектичною структурою.

При цьому підвищується міцність і твердість поверхні, в той час як серцевина виробу залишається із доевтектоїдною структурою з достатньою в'язкістю. Крім того, обидві структурні складові мають безперервний структурний зв'язок, який додатково посилюється через бікристалітну колоніальну будову двофазних структур. Важливий внесок у підвищення адгезійних властивостей поверхневого шару має високий ступінь диференціювання квазіевтектичного прошарку.

Використання комплексної обробки поверхні, рекомендованої на базі проведених досліджень для зміцнення швидкозношуваних деталей, показало зростання стійкості в середньому в 3…5 разів.

кристал сплав квазіевтектика аморфний

Висновки

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, що виявляється у встановленні фізичних закономірностей формування структури в сплавах евтектичного типу за участю нерівноважних фазових переходів І роду з урахуванням кінетичних факторів теплової дії з метою керування фізико-хімічними властивостями природних композиційних матеріалів.

При вирішенні даної проблеми зроблено наступні висновки.

1. На основі результатів досліджень термокінетичних параметрів процесів самоорганізаціїї фаз при кооперативному рості за нерівноважних умов перетворень І роду встановлено, що механізми процесів самоорганізації в системах евтектичного типу значно залежать від кристалічної будови елементів, особливостей будови вихідної фази і, в першу чергу, на межі рідина-кристал, механізмів росту кристалів фазових партнерів й ступеня кооперації. Наявність такої залежності дала можливість визначити рушійну силу та описати хід нерівноважного структуроутворення у сплавах евтектичних систем.

2. За результатами аналізу кристалічної будови елементів, які є компонентами евтектичних систем, доведено вплив типу кристалічної решітки елементів на механізми парного росту фаз. Наявність такої залежності обумовлює те, що компонентами переважної більшості евтектичних систем І типу (< 0,98), де можливий сумісний механізм парного росту фаз, є елементи із найбільш щільно упакованими решітками - гранецентрованою кубічною, гексагональною та ромбоедричною, частка яких становить 71,3 %. Переважну більшість компонентів систем ІІ типу (> 0,98), де можливий роздільний механізм парного росту фаз, складають елементи з кубічною решіткою типу алмазу.

На основі результатів аналізу термодинамічних параметрів розплавів для прогнозування виникнення квазіевтектичних структур за умов відсутності інших фазових перетворень запропоновано ентропійний критерійS`. Використанням даного критерію встановлено, що при кристалізації рідини квазіевтек-тики утворювались в системах, де приведений ентропійний критерій змінював-ся в межах 0,8 S``1,2.

4. Отримані результати порівняльного аналізу евтектичної та квазіевтектичної кристалізації обумовили істотне поширення уяв про механізми процесів самоорганізації у фазових реакціях розпаду та визначення квазіевтектик як кристалічних продуктів фазових реакцій розпаду, коли вихідною є некристалічна фаза, що враховує особливості фазових перетворень за нерівноважних умов. Систематизація результатів досліджень дала можливість вперше провести класифікацію квазіевтектичних структур в залежності від термічних умов утворення, ступеня кооперативності та типу квазіевтектичного партнера.

5. Експериментально доведено, що самоорганізовані структури розпаду утворюються шляхом кооперативного росту фаз, основними механізмами якого є роздільний (конгломератний) і сумісний (колоніальний) ріст кристалів. Побу-дована модель зміни концентраційного поля при рості кристалів двох різних фаз дозволила визначити умови їх взаємного впливу, який запропоновано оцінювати за допомогою ступеня кооперації, що являє собою відношення градієнту ефективної концентрації компонента у концентраційному полі до усередненої концентрації в розплаві. Надана модель пояснює суттєвий вплив співвідношення між фазами на ступінь кооперації та механізми парного росту.

6. На основі результатів аналізу процесів, що відбуваються на межі рідина-кристал за умов нерівноважності, запропоновано модель приповерхневого шару рідкого розплаву, відповідно до якої при зростанні переохолодження вище за критичне внаслідок конвекційних процесів спостерігається кінетичний фазовий перехід. Самоорганізація конвекційних потоків призводить до встановлення стійкого режиму комірок Бенара, що виникають у вигляді системи правильних шестикутників. Зазначений ефект певною мірою зумовлює утворення комірчаної будови фронту кристалізації і є необхідною кінетичною умовою квазіевтектичної кристалізації. Наявність комірчаної будови рідини спричиняє нерівномірність температурного переохолодження за фронтом кристалізації, яка має хвильовий характер. На відміну від рівноважних умов кристалізаційних процесів, коли важливу роль відіграє концентраційне переохолодження, за нерівноважних умов першорядне значення має температурне переохолодження, яке виникає в тонкому прошарку на межі рідина-кристал.

7. На основі отриманих результатів аналізу термокінетичних умов нерівноважних процесів у системах з евтектичним перетворенням для визначення можливих перетворень переохолодженої рідини вперше запропоновано термокінетичну діаграму, яка описує умови квазіевтектичного перетворення як проміжні між умовами евтектичного перетворення та умовами аморфізації сплаву. Гіпотетичні термокінетичні діаграми побудовано для досліджених сплавів систем Al-Ge та Fe-B.

8. За результатами аналізу шляху еволюції системи запропоновано синергетичні схеми траєкторій еволюції самоорганізованих структур розпаду в системах з евтектичним та евтектоїдним перетворенням. У розроблених варіантах кожної схеми у відповідності до запропонованих нових положень теорії евтектику визначено як тільки один з видів самоорганізованих структур розпаду.

9. Вперше на основі отриманих результатів показано, що одним з видів “квазі”-структур є псевдоморфози, в яких спостерігається взаємозамінність морфологічних ознак і фазового складу партнерів. Доведено, що псевдоморфози можуть формуватися як під час кристалізаційних процесів, так і при твердофазних перетвореннях. Аналіз результатів дослідження дозволив визначити основні механізми появи псевдоморфоз, наприклад, евтектико-перитектичне перетворення (у сплавах Fe-B-C) або розпад метастабільної проміжної фази (у сплавах Al-Ge), а також вперше запропонувати класифікацію псевдоморфоз.

10.Експериментально доведено значний вплив “квазі”-структур на властивості матеріалів через попередження ліквації й сприяння підвищенню міцності й зниженню крихкості сплавів евтектичного типу внаслідок високого ступеня дисперсності (в конгломератних структурах при роздільному механізмі росту фаз) або тонкого диференціювання (в колоніальних структурах при сумісному механізмі росту фаз). Експериментально доведено, що отримання покриттів з низьким вмістом олова із квазіевтектичною структурою дає можливість значно підвищити корозійну стійкість, на порядок знизити пористість та покращити адгезію до стальної основи при зменшенні різнотовщинності покриття майже втричі.

11. Встановлено можливість керування процесами структуроутворення і властивостями матеріалів через виникнення "квазі"-структур при високошвидкісному охолодженні після дії висококонцентрованих джерел енергії. Зокрема доведено, що швидке охолодження під час гартування з нагрівом струмами високої частоти призводить до виникнення текстури боридного шару за площиною (002) й до формування між поверхневим шаром боридів і сталевою основою двофазної зони з тонкодиференційованою квазіевтектичною структурою. Доведено бікристалітну колоніальну будову даної зони, фазами якої є борид Fe₂B і г-твердий розчин. Внаслідок виникнення текстури і квазіевтектичної зони значно підвищуються твердість та адгезійні властивості робочої поверхні.

12. На базі проведених досліджень рекомендовано використання комплексної обробки поверхні, що дозволяє створювати різні типи "квазі"-структур. Наприклад, при комплексній хіміко-термічній обробці, яка включає електролізне борування з наступним гартуванням з нагрівом струмами високої частоти, формується поверхневий шар з високим комплексом властивостей. Експлуатаційні випробування деталей, зміцнених за відпрацьованими оптимальними режимами даної обробки, в залежності від кліматичної зони показали зростання стійкості деталей в 3…5 разів.

Результати дисертації опубліковано в роботах

1. Шмырева Т.П., Береза Е.Ю. Быстроохлажденные эвтектические сплавы: (Монография) - К.: Техніка, 1990. - 144 с. Библиогр.: с. 135-144.

2. Береза Е.Ю. О прогнозировании метастабильных промежуточных фаз в быстроохлажденных сплавах эвтектического типа // Вопросы формирования метастабильной структуры сплавов. Сб. науч. тр. - Днепропетровск, 1984. - С.36-40.

3. Влияние обработки расплава электрическим током на фазовый состав и структуру гранулированного высококремнистого силумина / Таран Ю.Н., Пригунова А.Г., Мазур В.И., Береза Е.Ю., Савельев В.С., Булычева В.Н. // Физика и химия обработки материалов, 1984. - № 1. - С. 88-93.

4. Береза Е.Ю., Вукелич С.Б. Об изменении типа эвтектик при образовании метастабильных фаз // Вопросы формирования метастабильной структуры сплавов. Сб. науч. тр. - Днепропетровск, 1985. - С. 11-16.

5. Береза Е.Ю. О прогнозировании метастабильных промежуточных фаз в быстро охлажденных сплавах эвтектических систем // Вопросы формирования метастабильной структуры сплавов. Сб. науч. тр. - Днепропетровск, 1985. - С. 117-123.

6. Береза Е.Ю. О структуре метастабильных эвтектик // МИТОМ, 1987. - № 9. - C. 4-6.

7. Береза Е.Ю. О склонности эвтектических сплавов к неравновесному затвердеванию фаз // Вопросы формирования метастабильной структуры сплавов. Сб. науч. тр. - Дннепропетровск, 1987. - С. 114-119.

8. Береза Е.Ю. Об условиях образования аморфных структур в эвтектических сплавах // Металлургия и коксохимия. Сб. науч. тр. - К.: Техніка, 1987. - вып. 92. - C. 64-67.

9. Исследование формирования боридных слоев в условиях ускоренного охлаждения /Спиридонова И.М., Береза Е.Ю., Мостовой В.И., Колючая В.Д., Запорожцев Ю.М. // Структура и свойства быстроохлажденных сплавов. Сб. науч. тр. - Днепропетровск, 1988. - C. 27-32.

10. Береза Е.Ю. Влияние условий нагрева на структуру боридов железа //

Проблемы металлургического производства. Сб. науч. тр. - К.: Техніка, 1993. - вып.10. - C. 111-112.

11. Береза Е.Ю. О псевдоморфозе эвтектических структур в Al-Ge сплавах //

Теория и практика металлургии. - Днепропетровск, 1997. - № 2. - С. 33-34.

12. Береза Е.Ю. Термодинамический аспект образования квазиэвтектических структур // Вісник Дніпропетровського університету. Фізика. Радіоелектроніка. - 2002. - вип. 8. -C. 53-56.

13. Береза Е.Ю. О формировании квазиэвтектик на базе метастабильных фаз // Вісник Дніпропетровського університету. Фізика. Радіоелектроніка. - 2002. - вип. 9. -C. 54-56.

14. Спиридонова І.М., Береза О.Ю., Ващенко О.П. Особливості квазіевтектич-ної кристалізації // Металлофизика и новейшие технологии, 2005. - т.27, № 4. - C. 447-455.

15. Спиридонова І.М., Береза О.Ю., Ващенко О.П., Піляєва С.Б. Переохолоджуваність фаз при евтектичній кристалізації // Науковий часопис НПУ ім. М.П.Драгоманова, серія 1. Фіз.-мат. науки. - 2005. - № 6. - С. 50-54.

16. Спиридонова І.М., Береза О.Ю. Особливості фазового складу квазіевтектик

// Физика и техника высоких давлений, 2006. - том 16. - № 2. - C. 85-92.

17. Новиков М.М., Спиридонова І.М., Береза О.Ю. Роль концентраційного поля за умов евтектичної кристалізації // Вісник Київського університету. Серія: Фізико-математичні науки. 2006. - вип. № 2. - С. 456-463.

18. Спиридонова І..М., Береза О.Ю., Ващенко О.П. Вплив атомної будови елементів на тип діаграми фазової рівноваги з евтектичним перетворенням // Металлофизика и новейшие технологии, 2006. - т.28, № 7. - С. 883-888.

19. Береза О.Ю. Класифікація квазіевтектик // Вісник Дніпропетровського уні-верситету. Фізика. Радіоелектроніка. - 2006. - № 2/3. - С. 104-110.

20. Спиридонова И.М., Береза Е.Ю., Пиляева С.Б. Псевдоморфозы структур в сплавах //ДАНУ.Физика. - 2006. - № 7. - С. 79-83.

21. Береза О.Ю. Структурна модель рідкого прошарку на межі кристал-рідина за нерівноважних умов твердіння // Вісник Дніпропетровського уні-верситету. Фізика. Радіоелектроніка. - 2007. - № 12/1, вип. 14. - С. 139-141.

22. Береза О.Ю. Метастабільна квазіевтектична кристалізація сплавів // Вісник Харківського національного університету ім. В.Н.Каразіна. - 2008. - № 794. вип. 1 (37). - С. 77- 80.

23. Способ термообработки борированных стальных изделий. А. с. 1740448

CССР, С21D1/78, 1/10 Спиридонова И.М., Паненко О.О., Береза Е.Ю.,

Мостовой В.И. № 4844532/02; Заявл. 28.06.90; Опубл. 15.06.90, бюл. № 22. - 4 с.

24. Пат. 10938 Україна, С22С11/10 Сплав на основі свинцю: Гончар В.П.,

Яцуба В.Г., Ксаверчук Л.П., Соболенко О.Я, Курковський Г.П., Таран-Жовнір Л.О., Саригін Х.М., Куцин В.С., Береза О.Ю., Ахматов Ю.С. - № 94022054; Заявлено 14.12.94; Опубл. 25.12.96; Бюл. № 4. - 5 с.

25. Большаков В.І., Береза О.Ю., Міронова О.Ю., Харченко В.І. Матеріалознавство: Підручник для вищих технічних закладів освіти - Бразіліан Пресс, Канада, 1998. - 216 с.

26. Большаков В.І., Береза О.Ю., Харченко В.І. Прикладне матеріалознавство:

Підручник для студентів вищих технічних навчальних закладів - Дніпро-петровськ, РВА “Дніпро-VAL”, 2000. - 290 с.

27. Береза Е.Ю. О структурном упрочнении в быстроохлажденных сплавах эвтектического типа // Проблемы современного материаловедения, Днепропетровск, ПГАСиА. - 1999. - вып. 8, ч.1. - С. 114-115.

28. Спиридонова І.М., Береза О.Ю. Особливості парного росту фаз в швидко-охолоджених евтектичних сплавах // Металознавство та обробка металів, 2001. - №1-2. - С. 18-23.

29. Спиридонова І.М., Береза О.Ю. Термокінетична діаграма перетворення переохолодженої рідини в системах евтектичного типу // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. науч. труд. - Днепропетровск: ПГАСА, 2006. - вып.36, ч.1. - С. 196-200.

30. Спиридонова И.М., Береза Е.Ю. Синергетическая модель фазовых превращений в эвтектических системах // Теория и практика металлургии, 2006. - № 4-5 (53-54). - С. 60-62.

31. Спиридонова И.М., Береза Е.Ю., Пиляева С.Б. Эвтектическая кристаллизация и переохлаждаемость фаз в сплавах Fe-B // Теория и практика металлургии, 2006. - № 4-5 (53-54). - С. 65-67.

32. Таран Ю.М., Спиридонова І.М., Береза О.Ю. Квазіевтектики та їх класифікація // Металознавство та обробка металів, 2006.- № 1. - С. 3-9.

33. Спиридонова І.М., Береза О.Ю. Особливості міжфазної кооперації при ев-

тектичній кристалізації // Металознавство та обробка металів, 2007.- № 3 (1

ч.). - С. 9-16.

34. Береза Е.Ю. Особенности строения эвтектических колоний в сплавах системы Al-Ge // Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа: ІІ Всесоюзная конференция. Днепропетровск, 1982 г. - Днеп-

ропетровск, 1982. - С. 123-125.

35. Береза Е.Ю. О закономерностях структурообразования в процессе эвтектической кристаллизации при ускоренном охлаждении // Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа: ІІІ Всесоюзная конференция. Днепропетровск, 1986 г. - Днепропетровск, 1986. - С. 17-18.

36. Береза Е.Ю. О прогнозировании образования аморфного состояния в эвтектических сплавах // VI Всесоюзная конференция по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов, Свердловск, 17-19 сент. 1986 г. - Свердловск 1986. - т.2. - С. 181-184.

37. Спиридонова И.М., Береза Е.Ю., Стольберг М.М., Паненко О.О., Колючая В.Д. О повышении износо-стойкости деталей свеклоуборочной техники диффузионным борированием с закалкой ТВЧ // Технология и оборудование для новых прогрессивных методов ХТО деталей тракторов и сельхозмашин: Всесоюзный научно-технический семинар, Волгоград, 1988 г. - Волгоград, 1988. - С. 65-68.

38. Спиридонова И.М., Береза Е.Ю., Мостовой В.И. Получение нестехиоме-трического состава боридов при комплексной химико-термической обработке // Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработок деталей машин и инструмента: Всесоюзная научно-техническая конференция. Махачкала, 19-22 сент. 1989 г. - Махачкала, 1989. - С. 187-188.

39. Спиридонова И.М., Береза Е.Ю., Антропов С.Н., Мостовой В.И. Комплексная химико-термическая обработка для повышения износостойкости деталей сельскохозяйственной техники // Поверхностные термические технологии: Первая научно-техническая конференция, Варна (НРБ), 4-6 окт. 1989 г. - Варна, 1989. - С. 332-334.

40. Vorobyov G., Socolova L., Gayvoronskaya T., Bereza E. The Improvement of Rentgenograhpy Methods of the Polycrystal Texture Parameters and Their Usage // Advanced Methods in X-Ray and Neutron Structure Analysis of Materials: International Conference. Praha (Chehoslovakia), 20-24 aug. 1990. - Praha, 1990. - P. 158.

41. Спиридонова И.М., Береза Е.Ю., Соколова Л.А. Изменение структуры боридов при нагреве // Карбиды, Бориды, нитриды. 5-я международная конференция. Колобжег (Польша), 1-3 окт. 1990 г. - Колобжег, 1990. - С. 98.

42. Shmiryova T.P., Beryoza H.Y. The surface of wear-proof layers with amorphous and composition structure // Intertribo-93: 5-th Int. Symp. Bratislava (Slovakiya), 1993. - Bratislava, 1993. - P. 78-85.

43. Спиридонова І.М., Береза О.Ю. Переохолоджуваність фаз в сплавах Fe-B // Науковий потенціал світу `2004: Перша міжнародна науково-практична конференція, Дніпропетровськ, 1-15 лист. 2004 р. - Дніпропетровськ, Пороги, 2004. - т. 64. - С. 28-29.

44. Спиридонова И.М., Береза Е.Ю., Карпова Т.П. Влияние квазиэвтектической кристаллизации на качество литого металла // Стратегия качества в промышленности и образовании: Международная конференция. Варна (Болгария), 23-26 мая 2005г. - Днепропетровск, Пороги, 2005. - С. 171.

45. Спиридонова И.М., Береза Е.Ю., Мостовой В.И. Образование квазиэвтек-

тик при закалке ТВЧ боридных слоев // Оборудование и технологи термической обработки метал лов и сплавов: 6-я Международная конференция. Харьков, 16-20 мая 2005 г. - Харьков, 2005. С. 194.

46. Спиридонова І.М., Береза О.Ю. Термокінетичні параметри квазіевтектич-ної кристалізації // Наука і освіта `2005: VIII міжнародна науково-практична конференція. Дніпропетровськ, 2005 р. - Дніпропетровськ, Наука і освіта, 2005. - т. 64. - С.27-29.

47. Спиридонова И.М., Береза Е.Ю. О различных механизмах формирования эвтектических покрытий // Современные материалы: достижения и проблемы: Международная конференция, Киев, 26-30 сент. 2005 г. - Киев, 2005. - С. 57-58.

48. Береза О.Ю. Прогнозування діаграм стану з евтектичним перетворенням // Perspektivnн Novinki Vedy a technici - 2005: ІІ Mezinбrodni vedecko-practickб conference. Praha, 21-29 listjpadu 2005 r. - Praha-Dnepropetrovsk, 2005. - Dil. 13. - S. 31-34.

49. Береза Е.Ю. Синергетический подход к проблемам эвтектической кристаллизации // Європейська наука ХХI століття: стратегія і перспективи розвитку-2006: І міжнародна науково-практична конференція. Дніпропетровськ, 22-31 трав. 2006 р. - Дніпропетровськ, Наука і освіта, 2006. - т. 27. - С. 7-11.

50. Береза О.Ю. Критерій квазіевтектичності // Актуальні проблеми сучасних наук: теорія та практика-2006: І міжнародна науково-практична конференція. Дніпропетровськ, 16-30 черв. 2006 р. - Дніпропетровськ, Наука і освіта, 2006. - т. 22. - С. 41-42.

Размещено на Allbest.ru