Российские ученые разработали универсальное математическое уравнение для сплавов, находящихся на стадии затвердевания. Оно позволяет определить, как микроструктура кристаллического вещества зависит от течения жидкого расплава. Понимание этого процесса позволит управлять физическими свойствами конечных деталей, которые отливаются из расплавленных металлов. Статья опубликована в Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical.
Ученые Уральского федерального университета вывели универсальное математическое уравнение, позволяющее определить, как микроструктура любых кристаллических веществ, в том числе металлов, зависит от течения жидкого расплава. В металлургии понимание этого процесса позволит задавать свойства деталей, которые отливаются из расплавленных металлов.
«Задавать форму и свойства металлических деталей мы можем только в самом начале — на этапе отлива из жидкого сплава. Когда сплав заливают в форму, он контактирует со средой, имеющей температуру существенно ниже температуры плавления вещества, при сварке расплавленный участок остужается окружающим воздухом. В таком случае начинается кристаллизация переохлажденной жидкости. Наш метод граничного интеграла позволяет определить форму и размер маленьких кристалликов в микроструктуре сплава, которые определяют механическую прочность материала, его тепло- и электропроводность, коррозионную стойкость. С помощью уравнения мы можем рассчитать необходимое течение сплава по форме для получения той формы роста кристаллов, которая обеспечит необходимые свойства металлической детали», — объясняет соавтор исследования Екатерина Титова.
Граничное интегральное уравнение подходит для чистых и двухкомпонентных сплавов, в которых примесное вещество в малом количестве растворено в большом объеме другого металла. Так, сплавы алюминия зачастую дополняют медью, магнием, марганцем, кремнием и цинком. Сплав может состоять и из большего количества веществ, если считать все растворенные вещества за некоторую усредненную примесь.
Перераспределение легирующих элементов при затвердевании способствует появлению локальных скоплений сульфидов, нитридов, оксидов и карбидов, что приводит к неоднородности свойств готового металлического изделия. Расчеты ученых применимы для любых двухкомпонентных или усредненных сплавов, где нужно избежать потери физических свойств металла.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
