519.8 Диффузионная модель эволюции кластера в металлическом расплаве жаропрочного никелевого сплава

Тягунов А. Г. (Уральский Федеральный Университет), Зейде К. М. (Universidad Politècnica Salesiana/University of Genoa), Мильдер О. Б. (Уральский Федеральный Университет), Тарасов Д. А. (Уральский Федеральный Университет)

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЗАДАЧА С ДВИЖУЩЕЙСЯ ГРАНИЦЕЙ, МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИНАМИКА, РАСПЛАВ, ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЕ


doi: 10.18698/2309-3684-2023-2-332


В работе производится построение математической модели термо-временной эволюции кластера в расплаве жаропрочного никелевого сплава ЖС6У. Формулируется начально-краевая задача с движущейся границей, для решения которой применяется численное моделирование методом трассировки траектории частиц, а для описания эволюционных процессов используется ряд классических физических теорий. Для проверки точности модели привлекается физический эксперимент построения политерм и изотерм электросопротивления рассматриваемого сплава. Подтверждено, что модель броуновской диффузии и теория проводимости Друде применимы для описания, как временной, так и температурной эволюции кластера. Так же оправдал себя подход к моделированию на основе «твердых шаров». По результатам моделирования, во временном диапазоне от 1690 до 1752 К количество частиц в составе кластера меняется от 5000 до 2000, средняя динамическая вязкость кластера изменяется от 3 до 2 *1010 Па*с, однако предполагается, что центральная часть существенно плотнее периферии, радиус кластера изменяется от 24 до 18, радиус свободной зоны вокруг кластера – от 56 до 43. Определены направления дальнейшего развития модели.


Johnston R. L. Atomic and Molecular Clusters. London, Taylor and Francis, 2002, 208 p.
Коттон Ф. А., Уолтон Р. Кратные связи металл — металл. Москва, Мир,1985, 535 с.
Губин С. П. Химия кластеров: Основы классификации и строение. Москва, Наука, 1987, 262 с.
Haberland H. Clusters of atoms and moleculs. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1994, 425 p.
Quinn C.M., McKernan J.G.R., Redmond G.B. Point-group regular representations and the densities of states in finite metal clusters. Faraday Transactions 2: Molecular and Chemical Physics. Journal of the Chemical Society, 1984, vol. 80, no. 12, pp. 1507-1511.
Суздалев И.П. Нанотехнология: физикохимия нанокластеров, нано-структур, наноматериалов. Москва, УРСС, 2005, 589 с.
Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Ленинград, Наука, 1975, 594 с.
Elliott S.R. Medium-Range Structural Order in Covalent Amorphous Solids. Nature, 1991, vol. 354, no. 6353, pp. 445-452.
Лифшиц Б.Г. Металлография. Москва: Металлургия, 1990, 236 с.
Жукова Л.А. Строение металлических жидкостей: Уч. пособие. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2002, 46 с.
Архаров В.И., Новохатский И.А. О квазиполикристаллической модели расплавов. В сб.: Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов. Свердловск, 1974, c. 52-54.
Полухин В.А., Ватолин Н.А., Потемкина Е.А. Структурные единицы ближнего порядка в аморфных металлах и полупроводниках. Материаловедение. 2002, №2, с. 8-13.
Turnball D. Kinetics of solidification of supercooled liquid mercury droplets. The Journal of Chemical Physics. 1952, vol. 20, no. 3, pp. 411-424.
Ватолин Н.А., Пастухов Э.А., Лисин В.Л., Денисов В.М., Качин С.В. Дифракционные исследования строения высокотемпературных расплавов.Екатеринбург, УрО РАН, 2003, 357 с.
Попель С.И., Спиридонов М.А., Жукова Л.А. Атомное упорядочение в расплавленных и аморфных металлах (по данным электронографии). Екатеринбург, УГТУ, 1997, 382 c.
Попель П.С. Метастабильная микрогетерогенность расплавов эвтектикой и монотектикой и ее влияние на структуру сплава после затвердевания. Расплавы, 2005, № 1, с. 22-48.
Попель П.С., Преснякова Е.Л., Павлов В.А., Архангельский Е.Л. Область существования метастабильной квазиэвтектической структуры в системе Sn-Pb. Металлы, 1985, № 4, с. 198-201.
Гаврилин И.В. Основы модели микронеоднородного строения жидких металлов. Повышение качества отливок и слитков, 1979, № 2, с. 5.
Гаврилин И.В. Плавление и кристаллизация металлов и сплавов. Владимир. Влад. Гос. Университет, 2000, 260 с.
Скребцов А. М. Изучение структурных перестроек в жидких металлах на модельном расплаве. Вісник ПДТУ. Серія: Технічні науки, 2008, № 18, с. 61–65.
Новохатский И. А., Ярошенко А. В. Определение плотности металлических жидкостей в приповерхностных слоях с учетом явления кластерной адсорбции. Труды Одесского политехнического университета, 2002, № 1 (17), с. 1–5.
Гей С. Л. Особенности процесса кристаллизации металлов. Вестник Гродненского государственного университета имени Янки Купалы. Серия 6. Техника, 2012, № 2, с. 36–43.
Ильинский А. Г. Особенности атомного строения металлических материалов в жидком и аморфном состояниях. Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології, 2010, Т. 8, № 3, с. 483–502.
Li Y., Chen W. Z., Dong B. S., Zhou S. X. Effects of metalloid content on viscosity of Fe-Si-B-P-C alloy melt. Journal of Non-Crystalline Solids, 2018, vol. 490, pp. 31-34.
Zu F. Q., Zhou B., Li X. F., Yi X., Chen Y. Effect of liquid-liquid structure transition on solidification of Sn-Bi alloys. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2007, vol. 17, no. 5, pp. 893-897.
Rao K.R. Phase transitions in liquids. Current Science, 2001, vol. 80, no. 9, pp. 1098–1100.
Yarger J.L., Wolf G.H. Polymorphism in Liquids. Science, 2004, vol. 306, no. 5697, pp. 820–821.
Tyagunov A., Milder O., Tarasov D., Tyagunov G. LLT Structural Changes in Metal Liquids as a Basis for a Thermal Treatment Technology of Melts: a review. Phase Transitions, 2021, vol. 94, no. 1, pp. 1–22.
Myers T.G., Hennessy M.G., Calvo-Schwarzwälder M. The Stefan problem with variable thermophysical properties and phase change temperature. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2020, vol. 149, pp. 118975.
Koga S., Diagne M., Krstic M. Control and State Estimation of the One-Phase Stefan Problem via Backstepping Design. IEEE Transactions on Automatic Control, 2019, vol. 64, no. 2, pp. 510–525.
Markov S.I. Multiscale Nonconformal Finite Element Methods for Solving Problems with Moving Boundaries. XIV International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE), Russia, Novosibirsk, 2018, no. 18303723.
Munjiza A. The combined finite-discrete element method for structural failure and collapse. Engineering fracture mechanics, 2004, vol. 71, no. 4-6, pp. 469-483.
Пестов К.Н., Любимова О.Н., Останин М.В. Об одном численном методе решения задач типа Стефана. Вестник ЧГПУ. Серия: Механика предельного состояния, 2019, Т. 41, № 3, с. 51–60.
He L., Zheng J., Zheng Ya., Chen J., Zhou X., Xiao Z. Parallel algorithms for moving boundary problems by local remeshing. Engineering Computations, 2019, vol. 36, no. 8, pp. 2887–2910.
Гришанов А.Н. Эффективный метод построения приближенных решений с применением многосеточных конечных элементов. Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации, 2018, № 3(40), с. 47–57.
Kees C.E., Farthing M.W., Berger R.C., Lackey T.C. A Review of Methods for Moving Boundary Problems. Navigation Systems Research Program, 2009, Vol. ERDC/CHL TR-09-10.
Bowler K.C., Pawley G.S. Molecular Dynamics and Monte Carlo Simulations in Solid-state and Elementary Particle Physics. Proceedings of the IEEE, 1984, vol. 72, no. 1, pp. 42-55.
Unge M. Electron mobility edge in amorphous polyethylene. IEEE International Conference on Dielectrics (ICD), 2016, vol. 2, pp. 828-831.
Baba H., Urano R., Nagai T., Okazaki S. Prediction of self-diffusion coefficients of chemically diverse pure liquids by all-atom molecular dynamics simulations. Journal of Computational Chemistry, 2022, vol. 43, no. 28, pp. 1892–1900.
Gross W.J., Vasileska D., Ferry D.K. A Novel Approach for Introducing the Electron–Electron and Electron–Impurity Interactions in Particle-Based Simulations. IEEE Electron device letters, 1999, vol. 20, no. 9, pp. 463-465.
Zeyde K.M. The Motion of Electrons under the Action of Inertial Forces in the Rarefied Medium. 2022 3rd URSI Atlantic and Asia Pacific Radio Science Meeting (AT-AP-RASC), 2022. DOI: 10.23919/AT-AP-RASC54737.2022.9814326.
Williams J.R., O’Connor R. Discrete Element Simulation and the Contact Problem. Archives of Computational Methods in Engineering, 1999, vol. 6, no. 4, pp. 279—304.
Thornton A., Weinhart T., Luding S., Bokhove O. Modeling of particle size segregation: calibration using the discrete particle method. International Journal of Modern Physics C, 2012, vol. 23, no. 8, pp. 1240014.
Zeyde K.M. Electrodynamic interpretation of the results of electron dynamics modeling using the discrete element method. Ural Radio Engineering Journal, 2020, vol. 4, no. 1, pp. 33-50.
Zeyde K.M. Mercury DPM adaptation for electromagnetic microscopic DEM simulation. 2019 IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications (APWC 2019), 2019, p. 136.
Li X., Li D., Yue H., Zhang Z., Liu K., Fan M., Chen D. A high precision particle-moving algorithm for particle-in-cell simulation of plasma. IEEE Transactions on magnetics, 2015, vol. 51, no. 3, pp. 1-4.
Kancleris Z., Šlekas G., Matulis A. Modeling of Two-Dimensional Electron Gas Sheet in FDTD Method. IEEE Transactions on antennas and propagation, 2013, vol. 61, no. 2, pp. 994–996.
Romanczuk P., Bär M., Ebeling W., Lindner B., Schimansky-Geier L. Active Brownian particles. From individual to collective stochastic dynamics. The European Physical Journal. Special Topics, 2012, vol. 202, pp. 1–162.
Мелких А.В., Повзнер А.А., Шумихина К.А. Молекулярная физика. Учебное пособие. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2006, 242 с.
Andrade-Neto A.V. Dielectric function for free electron gas: comparison between Drude and Lindhard model. Revista Brasileira de Ensino de F´ısica, 2017, vol. 39, no. 2, pp. 1-8.
Chang T., Mukherjee S., Watkins N.N., Stobbe D.M., Mays O., Baluyot E.V., Pascall A.J., Tringe J.W. In situ monitoring for liquid metal jetting using a millimeter wave impedance diagnostic. Scientific Reports, 2020, vol. 10, no. 22325, pp. 1-9.
Wang L. Atomistics of self-diffusion in liquid metals. EPJ Web of Conferences, 2017, vol. 151, no. 02004, pp. 1-9.
Rizvi S.M.H., Mazhari B. An Analytical Approach to Model the Effects of Diffusion in Space-Charge-Limited Current in Organic Semiconductor Films. 2018 4th IEEE International Conference on Emerging Electronics (ICEE), 2019, art. no. 19256716. DOI: 10.1109/ICEE44586.2018.8937967.
Kim M., Zydney A.L. Effect of electrostatic, hydrodynamic, and Brownian forces on particle trajectories and sieving in normal flow filtration. Journal of Colloid and Interface Science, 2004, vol. 269, no. 2, pp. 425–431.
Абгарян К.К., Елисеев С.В., Журавлев А.А., Ревизников Д.Л. Высокоскоростное внедрение. Дискретно-элементное моделирование и эксперимент. Компьютерные исследования и моделирование, 2017, Т. 9, № 6, с. 937–944.
Heitzinger C., Ringhofer C., Ahmed S., Vasileska D. Accurate three-dimensional simulation of electron mobility including electron-electron and electron-dopant interactions. Proceedings - Electrochemical Society, 2005, vol. PV 2004-13, pp. 165-183.
Bird R.B., Stewart W.E., Lightfoot E.N. Transport Phenomena. Hoboken, John Wiley & Sons, 2007, 905 p.
Ojovan M.I. Viscous flow and the viscosity of melts and glasses. Physics and Chemistry of Glasses, 2012, vol. 53, no. 4, pp. 143–150.
Varshneya A.K. Fundamentals of Inorganic Glasses. New York, Academic Press, 1994, 570 p.
Повадатор А.М., Вьюхин В.В., Цепелев В.С., Тягунов А.Г. Способ бесконтактного измерения электрического сопротивления металлического твердого образца или его расплава методом вращающегося магнитного поля и устройство для его осуществления. Патент на изобретение №2299425, 20 мая 2007г.
Тягунов Г.В., Цепелев В.С., Тягунов А.Г., Барышев Е.Е., Вьюхин В.В., Поводатор А.М. Устройство для определения интенсивности структурной перестройки расплавов жаропрочных сплавов. Патент РФ № 157157, 20.11.2015.
Тягунов Г.В., Цепелев В.С., Поводатор А.М., Барышев Е.Е., Вьюхин В.В., Тягунов А.Г., Мушников В.С. Устройство оценки равновесности металлических расплавов. Патент на полезную модель RUS 182131, 26.12.2017..


Тягунов А.Г., Зейде К.М., Мильдер О.Б., Тарасов Д.А. Диффузионная модель эволюции кластера в металлическом расплаве жаропрочного никелевого сплава. Математическое моделирование и численные методы, 2023, № 2, с. 3–32.



Скачать статью

Количество скачиваний: 109