Физики предложили теорию затвердевания сплавов никеля и железа

13:11, 28 октября 2022

Расчеты ученых помогут создавать детали для точных приборов с улучшенными свойствами

Сплав никеля и железа используют, когда необходима высокая стабильность размеров готовых деталей. Фото: unsplash.com / Laura Ockel.

Физики Уральского федерального университета создали теорию затвердевания сплава никеля и железа (инвар). Они определили, что важную роль в технологии создания изделий из инвара, а именно в процессе затвердевания, играет набегающий поток: когда при охлаждении сплава жидкий слой натекает на затвердевший. Если регулировать этот процесс, можно управлять характеристиками сплавов, получать более однородную структуру, улучшая таким образом свойства конечного продукта.

Работа ученых крайне важна, так как сплавы никеля и железа используют при создании высокоточных приборов: часы, сейсмические датчики, подложки для чипов, клапаны и двигатели в авиаконструкциях, приборы для телескопов. И расчеты помогут создавать сплав необходимой структуры, что скажется на качестве готовых изделий. Описание модели и поведения расплавов, а также аналитические расчеты ученые опубликовали в журнале Scientific Reports. Исследование поддержал Российский научный фонд (проект № 21-79-10012).

«Поясню суть работы с помощью аналогии. Когда вода замерзает, она выталкивает из себя всю грязь. Поэтому можно взять кусочек льда в рот, он будет чистый. Примерно так же происходит и с расплавами при охлаждении. Только они выталкивают не все примеси, а часть. Часть примесей выходит наружу, а часть остается в расплаве. То, что остается в расплаве, заполняет промежутки между кристалликами, которые затвердевают, и пустоты, которые остаются. В итоге сплавы получаются неоднородные: один крохотный кусочек обогащен, а соседний — нет. И это влияет на свойства готового изделия», — говорит руководитель лаборатории многомасштабного математического моделирования УрФУ Дмитрий Александров.

Главное, что показали ученые — это процессы в двухфазном слое: слой, в котором находится и твердая, и жидкая фазы, внутри него происходит превращение из жидкого состояния в твердое.

«Этот слой полностью меняет сценарий кристаллизации. Например, температура в каждой точке этого слоя ниже температуры кристаллизации, а кристаллики и дендриты выделяют теплоту фазового превращения и таким образом частично компенсируют переохлаждение. Кроме того, растущая твердая фаза вытесняет растворенную примесь, что снижает температуру кристаллизации. Эти процессы приводят к образованию сложных разветвленных структур твердой фазы, промежутки между которыми заполняются жидкостью с более высокой концентрацией примесей», — поясняет суть процесса старший научный сотрудник лаборатории математического моделирования физико-химических процессов в многофазных средах Любовь Торопова.

Справка

Инвар — от слова «неизменный», так как сплав почти не расширяется или не сжимается при изменении температуры. Первый инварный сплав открыл швейцарский ученый Шарль Эдуард Гийом в 1896 году. В 1920-м он получил за это Нобелевскую премию по физике.

Сплав никеля и железа используют, когда необходима серьезная стабильность размеров готовых деталей: в точных приборах, часах, клапанах и пр. Одно из первых применений инвара — стержни для маятниковых часов. В то время, когда маятниковые часы были изобретены, они были самым точным хронометром в мире. Сегодня инвар используют и в астрономии — в качестве компонентов, поддерживающих чувствительную к размеру оптику астрономических телескопов.