САМООРГАНИЗАЦИЯ КРИСТАЛЛИЗУЮЩИХСЯ СИСТЕМ ПРИ МОДИФИЦИРОВАНИИ ИХ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМИ ПОРОШКАМИ ТУГОПЛАВКИХ ЧАСТИЦ
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ ВОЕННЫХ НАУК
№ 3(24)/2008 (спецвыпуск)
УДК 669. 548. 5: 532. 7: 548. 33: 541.123
В.В. ЕВСТИФЕЕВ,
д.т.н., профессор, Сибирская государственная
автомобильно-дорожная академия;
В.В. СЕДЕЛЬНИКОВ, к.т.н.,
В.И. ГУРДИН,
к.т.н., доцент,
Омский государственный технический университет
САМООРГАНИЗАЦИЯ КРИСТАЛЛИЗУЮЩИХСЯ СИСТЕМ ПРИ МОДИФИЦИРОВАНИИ ИХ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМИ ПОРОШКАМИ ТУГОПЛАВКИХ ЧАСТИЦ
Высокий уровень требований, предъявляемых к качеству металлических материалов, применяемых при создании бронетанковой техники, стимулирует совершенствование существующих и создания новых технологий их получения. Одним из перспективных направлений получения литого металла с заданной структурой является метод модифицирования металлов и сплавов небольшими добавками ультрадисперсных порошков (УДП).
Однако, влияние УДП на структурообразование различных полимеризующихся и кристаллизующихся систем, как органической, так и неорганической природы изучено недостаточно.
В настоящее время в литейном производстве, используется большая номенклатура материалов, которые представляют собой кристаллизующиеся и полимеризующиеся системы, поэтому, оптимизируя их технологические свойства за счет модифицирования УДП, можно уменьшит брак литых деталей со сложной геометрической конфигурацией и получить существенный экономический эффект.
Использование принципов синергетики и теории фракталов позволяет устанавливать связь между процессами, протекающими на различных масштабных уровнях (микро-, мезо-, макроуровнях) [1-4].
Понимание фрактальной природы самоорганизации дислокационных структур позволило перейти от дислокационного к фрактальному материаловедению.
На базе квантовой теории И. Пригожина, бифуркационной диаграммы неравновесных систем и масштабной инвариантности критических параметров системы при бифуркационных переходах была разработана бифуркационная диаграмма перестройки дислокационных структур (рис. 1) [5].
Так как бифуркационная диаграмма построена на базе перестройки дислокационных структур, она хорошо согласуется с дислокационной теорией роста кристаллов и экспериментальными данными при пластической деформации металлов, то есть когда перестройка структуры происходит через разрушение, а оценка структурных преобразований производится в основном в двухмерном измерении [5, 8].
Однако, применение ее для описания объемных структур, которые создаются в процессе зарождения и роста кристаллов, представляет определенные затруднения.
В качестве базовой системы для изучения процессов кристаллизации при введении УДП было выбрано кальций-фосфатное связующее (КФС), применяемое в литейном производстве при изготовлении керамических форм для литья по выплавляемым моделям.
В работе экспериментально показано изменение свойств кальций - фосфатного связующего (КФС) модифицированного нерастворимым ультрадисперсным порошком (УДП) карбонитрида титана. Для оценки структурных изменений в качестве параметра порядка было выбрано поверхностное натяжение жидкого раствора КФС, а управляющим параметром - концентрация УДП. Результаты исследований показали, что поверхностное натяжение раствора КФС, в зависимости от изменения концентрации УДП, происходит по апериодическому закону. В точках с максимальными значениями поверхностного натяжения раствора отмечается максимальный разброс этих значений, а в точках с минимальными значениями минимальный разброс. При этом установлено, что максимальным значениям поверхностного натяжения раствора соответствуют максимальные размеры кристаллов после его кристаллизации, а минимальным значениям поверхностного натяжения соответствуют кристаллы с минимальными размерами, то есть выполняется принцип подчинения.
Исходя из условия кластерного строения жидкого раствора, можно предположить, что при увеличении концентрации УДП диссипация энергии, вносимой в раствор УДП, происходит за счет распада (диссоциации) крупных кластеров на более мелкие. Поверхностное натяжение раствора понижается. Процессы преобразований происходят в два этапа, в точках бифуркаций скачкообразно через разрушение старой структуры и создание новой, при этом поверхностное натяжение раствора понижается.
Между соседними точками перехода (бифуркаций) диссипация энергии в системе происходит за счет слияния (ассоциации) мелких кластеров в более крупные, при этом поверхностное натяжение раствора повышается.
Этот процесс повторяется апериодически, с каждым разом кластерные комплексы распадаются на все более мелкие до образования отдельных молекул, то есть образования более однородного раствора. Структурные преобразования в системе идут необратимо. Так как процессы структурообразования на различных энергетических уровнях идут самоподобно, можно предположить, что система КФС относится к фрактальным структурам. На этой основе предлагается бифуркационная диаграмма перестройки кристаллизующихся структур (рис. 2). В отличие от процесса структурной релаксации, описывающего поэтапное объединение кластеров, диаграмма перестройки кристаллизующихся структур показывает распад кластеров.
Эксперименты показали, что изменения свойств КФС, модифицированного УДП, подобны изменениям свойств растворов и расплавов, модифицированных растворимыми поверхностно-активными примесями. Поэтому для описания воздействия нерастворимых УДП на структуру и свойства КФС можно использовать теоретические законы физической химии молекулярно-поверхностных явлений, на которых базируется физическая химия дисперсных систем и коллоидов, а также термодинамическую теорию поверхностных явлений Д. Гиббса [9].
ЛИТЕРАТУРА
1. Панин, В.Е. Структурные уровни пластической деформации и разрушения / В.Е. Панин, Ю.В. Гриняев, В.И. Данилов и др. - Новосибирск: Наука CO., 1990. 258 с.
2. Хакен, Г. Синергетика. Иерархия неустойчивости в самоорганизующихся системах и устройствах / Г.Хакен - М.: Мир, 1985. 411 с.
3. Гленсдорф, П. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций / П. Гленсдорф, И. Пригожин - М.: Мир, 192. 280 с.
4. Mandelbrod, B.B. The fractal geometry of Nature / B.B. Mandelbrod -New York: Freeman, 1984. 480 p.
5. Мультифрактальный метод тестирования устойчивости структур в материалах. Учебно-методическое пособие / B.C. Иванова, Г.В. Встовский, А.Г. Колмаков, В.Н. Пименов - М.: изд. «Интерконтакт», 2000. 54 с.
6. Иванова, B.C. От дислокаций к фракталам / B.C. Иванова // Материаловедение - ч.1. Самоорганизация пороговых дислокационных структур - 2000. - №12. - С.19-25.
7. Иванова B.C. Введение в междисциплинарное нано-материаловедение/B.C. Иванова-М.: изд. «САЙНС - ПРЕСС», 2005. 206 с.
8. Иванова, B.C. Синергетика и фракталы в материаловедении / B.C. Иванова, А.С. Баланкин, И.Ж. Бунин, А.А. Оксогоев. - М.: Наука, 1994. 383 с.
9. Седельников В.В. Влияние ультрадисперсных порошков на форму кристаллов и свойства кристаллизующихся систем / В.В. Седельников, В.И. Гурдин // Металлургия машиностроения. -2004. - № 6. - С. 24-26.
