Кинетика кристаллизации и кавитации расплавов при больших отклонениях от равновесия

Цель работы - теоретическое моделирование интенсивных фазовых превращений в различных физических системах, быстро приведенных в глубокое метастабильное состояние, т.е. при больших отклонениях от равновесия, когда для корректного описания процесса или явления необходимо привлечение соответствующих кинетических уравнений. Предложены неравновесная кинетическая модель роста сферического кристалла в переохлажденном расплаве, корректно учитывающая эффект прогрева расплава вблизи межфазной поверхности, а также эффект усадки вещества при затвердевании. Найдено новое аналитическое решение задачи для скорости роста кристалла, справедливое в широком диапазоне переохлаждений. Представлена кинетическая модель объемной кристаллизации переохлажденного расплава, отличительной особенностью которой является выделение в объеме «запрещенных» областей, нуклеация новых зародышей в которых подавлена. Суммарная динамика трансформации этих областей позволяет найти как время нуклеации, так и зависимость доли кристаллической фазы от времени, скорость образования и число центров кристаллизации. Разработана кинетическая модель кавитации расплава в процессе его объемной кристаллизации, вызванной усадкой вещества при затвердевании. Детально исследована эволюция кавитирующего расплава. Найдены зависимости объемной концентрации кристаллической и газовой фаз от времени. Показана существенная зависимость размера кристаллических зерен и кавитационных включений в затвердевшем материале от скорости охлаждения расплава. Решена задача о сегрегации растворенного в расплаве газа в процессе его кристаллизации с учетом усадки вещества при затвердевании для трех геометрий фронта кристаллизации: плоской, цилиндрической и сферической. Найдено новое аналитическое решение задачи, справедливое для произвольного закона роста кристалла. В общем случае показано, что в зависимости от того, по какому механизму кристаллизуется расплав, реализуются два различных сценария сегрегационного процесса. В первом сценарии газ успевает отводиться от фронта кристаллизации, во втором - скапливается вблизи межфазной поверхности. Представлен критерий отсутствия газовыделения. Исследован механизм роста одиночного газового пузырька в высоковязком газонасыщенном расплаве при его быстрой декомпрессии. Найдено новое аналитическое решение задачи для скорости роста пузырька, хорошо описывающее данный процесс в широком диапазоне пересыщений и на всех его стадиях, включая неравновесную, учет которой крайне необходим, если рассматривать высоковязкие среды. Показано, что по прошествии определенного времени процесс становится автомодельным. Представлена кинетическая модель нуклеации и роста газовых пузырьков в высоковязком газонасыщенном расплаве при его быстрой декомпрессии. Модель корректно учитывает изменение пересыщения среды путем подстановки в кинетические уравнения, описывающие процесс дегазации, реального распределения концентрации растворенного в жидкости газа, формирующегося вокруг растущих в результате диффузии пузырьков. Найдено новое аналитическое решение для времени нуклеации, зависимости числа образующихся пузырьков и скорости дегазации от величины начальной декомпрессии.