Кинетика кристаллизации и параметры микроструктуры сплава Mg65Cu25Y10, полученного закалкой из жидкого состояния

Abstract

RU: Цель. Расчетный анализ взаимосвязей термического режима закалки из жидкого состояния с кинетикой кристаллизации и параметрами микроструктуры сплава Mg65Cu25Y10. Методика. Согласованное численное решение уравнений теплопроводности и кинетики массовой кристаллизации для слоев расплава толщиной от 10-6 до 2·10-2 м, затвердевающих в контакте с полубесконечной теплопроводящей подложкой или стенками металлической изложницы. Результаты. Показано, что в продуктах быстрой закалки разной толщины l фиксируется широкий набор структурных состояний: от поликристаллического до истинно аморфного, включая промежуточные композиционные структуры, отличающиеся значениями доли закристаллизовавшегося объема хе, объемной плотности Ne и размеров Re кристаллов. Определены интервалы значений l и скорости охлаждения расплава m , в пределах которых фиксируются выявленные расчетами разновидности структур. Установлено, что основной причиной, обеспечивающей предрасположенность сплава Mg65Cu25Y10 к полному подавлению кристаллизации, является существенное замедление процесса зарождения кристаллов с ростом скорости охлаждения расплава, обусловленное эффектом нестационарного распределения гетерофазных флуктуаций по размерам. Научная новизна. Обобщением массива полученных расчетных данных впервые построена классификационная шкала структурных состояний, которые фиксируются при охлаждении слоев расплава Mg65Cu25Y10 со скоростями от 6 до 3·108 К/с. Получены доказательства принципиальной возможности полного подавления кристаллизации исследуемого сплава и определены соответствующие значения толщины и скорости охлаждения слоев расплава. Практическая значимость. Предложенный в работе алгоритм расчетного анализа термических режимов и кинетики кристаллизации будет полезным как инструмент прогнозирования структуры материалов разных классов, производство которых связано с использованием технологий ускоренного охлаждения расплава.

UK: Мета. Розрахунковий аналіз взаємозв'язків термічного режиму гартування з рідкого стану з кінетикою кристалізації і параметрами мікроструктури сплаву Mg65Cu25Y10. Методика. Узгоджене чисельне розв’язання рівнянь теплопровідності та кінетики масової кристалізації для шарів розплаву товщиною від 10-6 до 2·10-2 м, що тверднуть у контакті з напівнескінченною теплопровідною підкладкою або стінками металевої виливниці. Результати. Показано, що в продуктах швидкого гартування різної товщини l фіксується широкий набір структурних станів: від полікристалічного до істинно аморфного, включаючи проміжні композиційні структури, які відрізняються значеннями частки закристалізованого обєму хе, об'ємної щільності Ne і розмірів Re кристалів. Визначено інтервали значень l і швидкості охолодження розплаву m , у межах яких фіксуються виявлені розрахунками різновиди структур. Встановлено, що основною причиною, яка забезпечує схильність сплаву Mg65Cu25Y10 до повного пригнічення кристалізації, є значне уповільнення процесу зародження кристалів із зростанням швидкості охолодження розплаву, обумовлене ефектом нестаціонарного розподілу гетерофазних флуктуацій за розмірами. Наукова новизна. Узагальненням масиву отриманих розрахункових даних вперше побудовано класифікаційну шкалу структурних станів, які фіксуються при охолодженні шарів розплаву Mg65Cu25Y10 зі швидкостями від 6 до 3·108 К/с. Отримано докази принципової можливості повного пригнічення кристалізації досліджуваного сплаву та визначено відповідні значення товщини і швидкості охолодження шарів розплаву. Практична значимість. Запропонований в роботі алгоритм розрахункового аналізу теплових режимів та кінетики кристалізації буде корисним як інструмент прогнозування структури матеріалів різних класів, виробництво яких пов'язане з використанням технологій прискореного охолодження розплаву.

EN: Purpose. Calculation analysis of the interrelationships of the thermal regime of the quenching from the liquid state with the crystallization kinetics and the microstructure parameters of the Mg65Cu25Y10 alloy. Methodology. The concerted numerical solution of the heat conduction equations and mass crystallization kinetics for melt layers with a thickness from 10-6 to 2·10-2 m, solidifying in contact with a semi-infinite heat-conducting substrate or walls of a metal ingot. Findings. It is shown that a wide range of structural states are fixed in products of rapid quenching of different thickness l: from polycrystalline to truly amorphous, including intermediate composite structures, which differ in the fraction of crystallized volume xe, bulk density Ne and crystal sizes Re . The intervals of values of l and melt cooling rates m are determined. Within this intervals the types of structures identified by calculations are fixed. It has been established that the main reason for the predisposition of the Mg65Cu25Y10 alloy to complete suppression of crystallization is a substantial slowdown of the crystal nucleation with increasing of the melt cooling rate due to the effect of a nonstationary distribution of heterophase fluctuations in sizes. Originality. A classification scale of the structural states that are fixed by cooling the layers of the Mg65Cu25Y10 melt at rates from 6 to 3·108 K/s is constructed for the first time by a generalization of the obtained calculated data array. The proofs of the principle possibility of complete suppression of the crystallization of the investigated alloy are obtained and the corresponding values of the thickness and cooling rate of the melt layers are determined. Practical value. The proposed algorithm of calculating analysis of thermal regimes and crystallization kinetics will be useful as a tool for predicting the structure of materials of different classes, the production of which is associated with using of accelerated melt cooling technologies.