Российские физики объяснили причины аномального поведения расплавов

Физики Уральского федерального университета (УрФУ) с помощью математической модели впервые объяснили, почему возникают отклонения, при которых не увеличивается скорость затвердевания расплавов. На основе своих наблюдений они вывели новый закон, который учитывает аномальное поведение расплавов в ходе экспериментов. Это, в свою очередь, поможет создавать материалы с заданными свойствами, которые можно будет использовать, например, в аэрокосмической промышленности.

«Раньше предполагалось, что с увеличением температуры скорость затвердевания расплавов увеличивается. Однако это не всегда так. В некоторых случаях, например, из-за примесей или особенностей сплава, может наблюдаться аномальное поведение. Нам удалось объяснить это явление — мы пришли к выводу, что необходимо учитывать зарождение кристаллов внутри двухфазной зоны, которое уменьшает переохлаждение расплава, делает этот слой более узким и замедляет скорость движения фронта кристаллизации. Мы вывели закон, который учитывает такое аномальное поведение», — объясняет старший научный сотрудник лаборатории математического моделирования физико-химических процессов в многофазных средах УрФУ Любовь Торопова.

Как выяснили физики, такое аномальное поведение объясняется нуклеацией: скорость затвердевания падает тогда, когда зарождаются кристаллы, и начинает расти в случаях, когда кристаллы зародились и продолжили расти.

Новую модель проверили на сплаве алюминия и никеля. Серию экспериментов провели немецкие коллеги в лаборатории с помощью электромагнитного левитатора и на борту аэрокосмической станции в научном центре города Кёльн. Полученные данные подтвердили теоретические расчеты.

«Наша модель учитывает движение границ раздела твердой и жидкой фаз с учетом зарождения и роста кристаллов. Раньше никто такого не делал. Расчеты универсальны, будут полезны специалистам аэрокосмической промышленности, для получения материалов с заданными свойствами, прогнозирования свойств сплавов и формирования новых высокопрочных структур, применимых в материалах новых поколений»,— поясняет ведущий научный сотрудник лаборатории многомасштабного математического моделирования УрФУ Дмитрий Александров.

Описание модели опубликовано в Scientific Reports (издательский дом Nature Publishing Group). Исследование поддержал Российский научный фонд (грант 21-79-10012).

Справка

Физики Уральского федерального университета развили теорию движения границы твердой и жидкой фаз в переохлажденном расплаве при наличии зародышеобразования и роста кристаллов. Аналитически они решили систему интегродифференциальных уравнений кинетики, тепло- и массопереноса в двухфазном и жидком слоях, разделенных подвижной границей фазового перехода. Для этого они использовали метод седловой точки для вычисления интеграла типа Лапласа и метод малого параметра для нахождения закона движения границы раздела фаз. В результате выяснили, что процессы зародышеобразования и роста кристаллов ответственны за выделение скрытой теплоты кристаллизации, что снижает переохлаждение расплава и сужает толщину двухфазного слоя.

Динамика распространения фронтов кристаллизации привлекает внимание исследователей по всему миру более 130 лет, начиная с работ Стефана о замерзании воды с плоским фронтом. Сегодня его имя носят задачи с подвижной границей, разделяющей разные фазы агрегатного состояния вещества. Разнообразие нелинейной динамики межфазных границ вызывает интерес в прикладной математике, геофизике, материаловедении, нелинейной физике и тепломассопереносе.

На фото: Любовь Торопова