Введение к работе
Актуальность темы. Эволюция межфазной поверхности (между жидкой и твердой фазами) играет определяющую роль в образовании различных структур, возникающих как в природе, так и в различных технологических процессах. Динамическое развитие границы раздела фаз ответственно за появление слоистых, ячеистых, древообразных (иглообразных) структур слитков в технологических процессах получения металлов, полупроводников и других материалов.
Процессы направленного затвердевания расплавов и растворов чрезвычайно широко распространены в природе и многих технологиях, которые используются в традиционных и новых областях техники. Изучение тепломассопереноса находит широкое применение при получении слитков черных и цветных металлов, получении однородных по структуре материалов. Указанные процессы имеют фундаментальное значение при затвердевании заготовок и слитков, промерзании водона-сыщенных грунтов и пород, создании искуственных кристаллов. В прикладном отношении особенно важным представляется формирование различных типов микро- и макроструктур в получаемых путем затвердевания материалах, физические механизмы которых до сих пор в полной мере не выяснены. Поэтому исследование направленного затвердевания представляет собой актуальную прикладную проблему.
Современная технология предъявляет все более высокие и разнообразные требования к качеству получаемых материалов и методам управления процессами направленной кристаллизации. Вследствие чего возникает необходимость разработки новых методов математического моделирования в процессах затвердевания сплавов, без чего, несомненно, невозможно понять полную картину протекающих процессов.
Актуальность работы в целом обусловлена необходимостью расширения и углубления знаний о процессах затвердевания при наличии двухфазных зон.
Цели работы. Цели работы заключались в теоретическом исследовании динамической неустойчивости процессов затвердевания при наличии квазиравновесных двухфазных зон, в изучении процесса образования двухфазной зоны перед фронтом кристаллизации и связи этих режимов затвердевания с распределением примеси в твердой фазе.
Это потребовало решения следующих задач:
-
проведение линейного анализа динамической неустойчивости для процессов затвердевания бинарных расплавов в присутствии узкой квазиравновесной двухфазной зоны;
-
проведение линейного анализа динамической неустойчивости для процессов затвердевания бинарных расплавов в присутствии широкой квазиравновесной двухфазной зоны;
-
проведение линейного анализа динамической неустойчивости для промежуточных (по ширине зоны) процессов затвердевания;
-
исследование механизма образования узкой квазиравновесной двухфазной зоны перед фронтом затвердевания при кристаллизации бинарных расплавов.
Научная новизна. Настоящая диссертация представляет собой непосредственное продолжение и развитие исследований, известных .по работам сотрудников кафедры математической физики УрГУ Ю. А. Буевича, В. В. Мансурова, Л. Ю. Искаковой, И. А. Наталухи (1983-1995) и посвящена изучению особенностей неустойчивых режимов динамического типа в процессах затвердевания с квазиравновесной двухфазной зоной и исследованию образования двухфазной зоны перед фронтом затвердевания, объясняющих неоднородности рас-
пределения примеси в слитках.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней проведены комплексные исследования процессов затвердевания бинарных расплавов с квазиравновесными двухфазными зонами, являющиеся составной частью нового научного направления теплофизики и молекулярной физики - динамической теории направленного затвердевания при наличии переходных двухфазных зон.
В диссертации проведен анализ динамической неустойчивости затвердевания бинарных расплавов при наличии квазиравновесных двухфазных зон. Результаты анализа динамической неустойчивости позволяют сделать вывод о возможности возникновения слоистых структур примеси в твердой фазе (слоистой ликвации примеси), а также проведено изучение явления образования двухфазных зон перед фронтом кристаллизации в процессах затвердевания бинарных расплавов.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием основных положений теории направленного затвердевания, современного математического аппарата, сопоставлением полученных результатов с экспериментальными и численными расчетами.
Практическая ценность. Линейный анализ динамической неустойчивости, проведенный во второй и третьей главах диссертации для процессов затвердевания с квазиравновесной двухфазной зоной показал, что существуют области параметров затвердевания, в которых процесс динамически неустойчив. В этих областях можно ожидать появления неоднородных структур примеси в твердой фазе.
Результаты, полученные в четвертой главе диссертации показывают различия в распределении примеси в твердой фазе при образовании двухфазной зоны перед плоским фронтом затвердевания и в случае, когда кристаллизация происходит
только при наличии плоского фронта. Различное распределение примеси приводит к разным физико-механическим свойствам получаемых изделий.
Аппробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались
-на ХШ-ой Международной школе по моделям механики сплошной среды (С.-Петербург, 1995),
-на международной научно-технической конференции "Молодая наука - новому тысячелетию" (Набережные Челны, 1996),
- на Ш-м Минском международном форуме по тепло- и
массообмену (Минск, 1996),
на П-ой Республиканской научной конференции молодых ученых и специалистов (Казань, 1996),
на международной конференции "Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах" (Тверь, 1996),
на международном семинаре "Modelling, advanced process technology, expert and control system of heat and mass transfer phenomena" (Екатеринбург, 1996),
на второй конференции ECCOMAS-96 "Numerical methods in engineering" (Париж, 1996),
на международном симпосиуме "Multiple scale analyses and coupled physical systems" (Париж, 1997).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 14-ти работах в отечественных и зарубежных изданиях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из списка обозначений, введения и четырех глав. В конце диссертации обсуждены основные результаты и выводы, приведен список литературы. Работа изложена на 123-х страницах, включая 28 рисунков. Список цитированной лите-
ратуры содержит 158 наименований.