Вплив розмірів системи і градієнта концентрації у дифузійній зоні на термодинаміку зародкоутворення і розпаду

Keywords: nucleus, depletion, Gibbs free energy, size effect, competitive separation, phase diagram, gradient of concentration, nucleation modes.

Ширинян А.С. Влияние размеров системы и градиента концентрации в диффузионной зоне на термодинамику зародышеобразования и распада. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, 2001.

В диссертации теоретически исследована термодинамика фазовых превращений первого рода в аморфных сплавах, в мелкодисперсных системах и в бинарной паре при реакционной диффузии в поле градиента концентрации.

Описан процесс зародышеобразования одного зародыша в малой частице и коллективного зародышеобразования и распада в сильнодефектном пересыщенном сплаве (например, частичной кристаллизации в стекле или зародышеобразования на структурных дефектах в пересыщенном сплаве) с выделением одной фазы. Показано, что существуют три возможности: распад, полный запрет распада и метастабильное состояние недораспавшегося сплава.

Предлагается термодинамическая модель, объясняющая изменение предельной растворимости компонентов, снижение температуры распада в малых изолированных неорганических частицах. Задача решена с учетом концентрационного истощения материнской фазы. Предложен критерий распада в малой частице, который приводит к понятию "концентрационного гистерезиса". Приведена диаграмма состояния малых частиц и зависимость температуры распада от размера распадающейся частицы. Проведен детальный анализ процесса конкурентного зародышеобразования двух промежуточных фаз и распада в малой частице с учетом обеднения материнской фазы. Данный подход был апробирован при анализе процессов распада сплава Al - 5ё50 ат. % Li. Обоснована возможность образования, задержки и полной стабилизации метастабильной фазы Al3Li1 вместо стабильной фазы Al1Li1 в малых частицах сплавов Al-5ё50 ат. % Li.

Рассмотрено зародышеобразование новой фазы при взаимной диффузии в бинарной системе путем флуктуации, учитывающее изменение концентрационного состава зародыша по сравнению с составом материнской фазы. Усовершенствованы (продольный, поперечный, полиморфный) методы описания нуклеации новой фазы в бинарной диффузионной паре в зависимости от выбора диффузионного механизма превращения. Были получены формулы зависимости изменения термодинамического потенциала Гиббса системы для всех мод нуклеации при образовании зародыша новой фазы от его объема, формы, градиента концентрации.

В зависимости от выбора диффузионного механизма превращения и параметров системы зависимость изменения потенциала Гиббса от объема новой промежуточной фазы является либо монотонно возрастающей, либо немонотонной с максимумом и минимумом с возрастанием для больших объемов новой фазы, либо немонотонной с максимумом. В продольной моде при уменьшении концентрационного градиента вероятность зародышеобразования уменьшается, что означает возможность превращения закритических зародышей в докритические и их последующее рассасывание. В полиморфной и трансверсальной модах в зависимости от параметров системы большой градиент либо стимулирует появление зародыша новой фазы и подавляет его рост, либо подавляет появление зародыша новой фазы.

Ключевые слова: зародыш, обеднение среды компонентом, потенциал Гиббса, размерный эффект, конкурентный распад, фазовая диаграмма, градиент концентрации, моды зародышеобразования.

Размещено на Allbest.ru