Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
Методическое пособие к по дисциплине
«Обработка композиционных и наноструктурированных материалов»
По теме
«Управление структурно-фазовыми превращениями с целью получения изделий и материалов с более качественными свойствами»
Составитель: профессор Михеев В.А.
Доцент Журавель Л.В.
Г. Самара 2017
ВВЕДЕНИЕ
Последнее время пристальное внимание исследователей привлекают модели структурно-фазовых превращений с позиций кластерных теорий строения вещества. Особый интерес связан с изучением формирования новой фазы в различных физических полях, в частности, электромагнитных и акустических. Речь идет о фоновом акустическом влиянии на структурно-фазовые превращения в материалах через электромагнитно-акустическое преобразование с резонансным откликом в некотором интервале частот.
Слабые периодические сигналы могут оказывать влияние на неравновесные гетерофазные процессы, скорее всего, в области разрывов фазовых границ, то есть в промежуточной области, называемой мезофазой. К ней можно отнести границу между жидкой и твердой фазой в момент кристаллизации жидкой фазы и отчетливо выраженные границы раздела между компонентами композиционных и наноструктурированных материалов. Они характеризуются гетерофазными флуктуациями плотности, которым присуще свойство фазовых переходов I рода, то есть изменение свойств скачком.
Имеется предположение, что в расплавах металлов атомы
находятся не в хаотичном состоянии, а формируют упорядоченные структуры - кластеры, которые являются основой для образования кристаллов[1]. Кластер – это область в некристаллическом веществе, в которой атомы создают взаимоконфигурации, имеющие существенно большее упорядочение, чем в среднем по объему вещества. Следовательно, в атомно-кластерной модели металлического расплава взаимодействие между атомами в кластере существенно сильнее, чем взаимодействие между атомами вне кластера. При этом атомно-кластерная модель желательно сохранить при затвердевании расплава. Для этой цели имеются технические средства, которые реально дают возможность показать управляющее воздействие электромагнитных полей на гетерофазные процессы посредством акустических волн, образующихся в ходе электромагнитного-акустического преобразования (ЭМАП).
Распространение в проходящей через такое метастабильное состояние электромагнитных и акустических колебаний малой мощности порождает физические эффекты, использование которых в технологиях создает реальные предпосылки улучшения качества обработки материалов, что достигается изменением режимов массо- и теплообмена. Сама мезофаза составлена из флуктуирующих надмолекулярных элементов (первичный кластер), либо более крупные структурные элементы (вторичный и третичный кластеры), откликающихся на частоту следования импульсов тока в радиодиапазоне.
Это было научным открытием, которое относится к материаловедению, металлургическому производству, к процессам литья и сварки. В описании научного открытия обобщаются регулятивные эффекты слабого импульсного электрического тока радиочастотного диапазона в короткозамкнутой петле магнитного диполя (антенны), проявляемые как тензоимпульсные синхронизирующие эффекты в конденсированной среде, претерпевающей неравновесные структурно-фазовые превращения при кристаллизации и плавлении, пластической деформации металлов и сплавов.
Научная значимость темы
1. Предложена и обоснована с позиций термодинамики необратимых процессов и кинетики конденсированных сред модель влияния слабых регулярных электротоковых импульсов радиочастотного диапазона в короткозамкнутой петле магнитного диполя (антенны) на физико-химические процессы и свойства конечных продуктов структурно-фазовых превращений. Дано единое обоснование тензоимпульсных синхронизирующих эффектов действием имманентной акустической волны, рождаемой в скин-слое антенны совокупным явлением, известным как электромагнитно-акустическое преобразование (ЭМАП).
2. Построена модель механизма формирования акустического поля в скин-слое антенны как электромагнитно-динамический эффект и выполнены количественные оценки эффективности ЭМАП в магнитном диполе антенны для импульсов различной формы, частоты, скважности, полярности и амплитуды.
3. Обоснован режим фоновой регуляции физико-химических процессов ультраслабыми сигналами, отвечающими тонким механизмам самоорганизации кластерных структур. Показано существование верхних амплитудных порогов имманентной, адаптивной фоновой регуляции, отличающей её от директивных методов грубого нарушения хода естественной самоорганизации.
4. Предложен механизм распространения акустического регулятивного сигнала в волновом канале мезофазы с резонансным усилением на частотах фазовой синхронизации за счёт нелинейного преобразования энергии высокочастотных мод, высвобождающейся в процессах структурно-фазовых превращений и внутреннего диффузионно-конвективного тепло- массопереноса.
5. Построена теоретическая основа фоновой акустической резонансной регуляции самоорганизации (ФАРРС) как параметрической синхронизации автогенераторных вихревых структур мезофазы, образующих в режиме ФАРРС систему протяжённых когерентных кластеров с аномальными кинетическими свойствами интенсивного и экстенсивного переноса в реакционной зоне. Из положений этой теории вытекают такие эффекты ФАРРС, как экспериментально наблюдаемая кинетическая и фазово-переходная память реакционных сред, высокая скорость и энергетическая эффективность неравновесных физико-химических процессов и однородность свойств их продуктов.
Практическая значимость темы
1. Апробированы на действующих предприятиях основы простой и малозатратной технологии регулирования структуры и физико-механических свойств металлов и сплавов, а также изделий из них в процессе кристаллизации и пластической деформации без изменения штатного технологического оборудования.
2. Предложены общие принципы высокоэффективной регуляции параметров неравновесных физико-химических процессов в конденсированных средах для разработки ресурсосберегающей металлургической технологии производства материалов с заданными свойствами и возможностью сохранения установленного штатного оборудования.