9-й конкурс на лучшую работу
«Локально неравновесное затвердевание бинарных сплавов»
(аннотация)
Разработана локально-неравновесная модель высокоскоростного затвердевания бинарных сплавов. Найдены распределения концентрации примеси в жидкой фазе при высоких скоростях движения фазовой границы когда процесс диффузии протекает в локально-неравновесных условиях. Показано, что при высоких скоростях движения межфазной границы, превышающей характерную диффузионную скорость релаксации к локальному равновесию, происходит переход к бездиффузионным режимам затвердевания. При таких скоростях концентрация растворенного компонента перед фронтом волны не изменяется, а коэффициент разделения примеси К=1.
В настоящее время исследования высокоскоростных фазовых переходов, протекающих в локально-неравновесных условиях, вызывают широкий интерес. С теоретической точки зрения этот интерес связан с возможностью экспериментального и теоретического изучения нелинейной динамики процессов идущих в условиях значительного удаления от равновесия. С практической точки зрения такой интерес обусловлен возможностью создания в локально-неравновесных условиях новых наноматериалов с уникальными физико-химическими свойствами, которые не могут быть получены обычным способом. Создание и анализ теоретических моделей подобных явлений позволяет вести направленный, научно обоснованный поиск методов получения новых материалов с заданной структурой и свойствами. Существующие теоретические подходы к изучению фазовых превращений при затвердевании бинарных расплавов основаны на предположении, что процесс диффузии растворенного компонента в жидкой фазе протекает в условиях локального равновесия, что справедливо только при достаточно низких скоростях движения фронта затвердевания. Поэтому классические модели предсказываю переход от диффузионного режима затвердевания к кинетическому режиму только при бесконечной скорости движения фронта фазового превращения. Разработанная локально-неравновесная модель затвердевания бинарных сплавов, основанная на уравнении диффузии гиперболического типа, предсказывает переход к бездиффузионным режимам при конечной скорости движения фронта, равной по порядку величину диффузионной скорости - скорости распространения диффузионных возмущений. Получен эффективный коэффициент диффузии, зависящий от скорости движения фронта затвердевания, позволяющий модифицировать различные модели разделения примеси на локально-неравновесный случай. Показано, что локальная неравновесность процесса диффузии приводит к безразделительному затвердеванию бинарных расплавов при конечной скорости движения фронта независимо от кинетических особенностей фазового перехода. Полученные результаты подтверждаются экспериментальными данными и молекулярно динамическими расчетами. В перспективе данный подход может быть использован для исследования других высокоскоростных фазовых переходов (твердое-твердое, затвердевание суспензий, фронтальная полимеризация, и т. д.).
