CC BY
16
До 90-рччя з дня народження Ю. Н. Тарана
ДН1ПРОПЕТРОВСЬКА НАУКОВА ШКОЛА МЕТАЛ ОЗНАВСТВА
I Ю. Н. ТАРАН
Дшпропетровська наукова школа металознавства була сформована в Металургшному шституп (ДМет1) членом-кор. АН УРСР, проф. Бунiним К. П. в 50-х роках минутого сторiччя. До не! входили сшвробгтники ДМет1 та 1нституту чорно! металурги (1ЧМ). Це пояснюсться тим, що К. П. Бунш керував як кафедрою металографи ДМет1, так i вiддiлом металознавства 1ЧМ. Цьому сприяла i спорщнешсть науково! тематики дослiджень, як1 проводили колективи цих пiдроздiлiв. Основнi науковi iнтереси локалiзувалися навколо проблеми структуроутворення бiлих та вiдбiлених вал-кових чавушв та !х технологи. Згодом, з розширенням особового складу та техшчних можливостей наукових колек-тивiв школи, до сфери наукових iнтересiв потрапили сiрi та половинчасп i легованi чавуни зi спещальними карбвдами. Поглиблене вивчення структуроутворення дозволили К. П. Бушну оптимiзувати промислову технологiю цих сплавiв та тдвищити !х екслуатацiйнi властивост!
Наукова школа К. П. Бунша беззаперечно вщгрвала провiдну роль серед iнших шшл металознавцiв тодiшнього СРСР. Цьому сприяв життевий шлях К. П. Бунша. Вш був студентом проф. Н. М. Виторфа, вiдомого металознавця, випускника Михайтвсько! артилерийсько! академи, студента, а поим найближчого спiвробiтника проф. Д. К. Чернова. Н. М. Виторф був також аспiрантом проф. Г. Таммана, мав чин генерал-лейтенанта артилерп (1915), читав лекцИ з теорп сплавiв курсантам Михмвсько! арт. академи спецiалiстам з внутршньо! балютики, написав перший в юторп Росшсько! iмперil, а можливо i £вропи, подручник «Теорiя сплавовъ въ примененш к металлическимъ системамъ», де вперше подавав аналiз дiаграм фазових рiвноваг з позицп теорп термодинамiчних потенцiалiв Дж. Гiббса, а не за допомогою аналiзу кривих охолодження, як це роблять деяш сучаснi автори, плутаючи дiаграми фазових рiвноваг з даграмами плавкоси, тобто з даграмами фазових перетворень.
У 1963 р. ввддш металознавства 1ЧМ за рекомендащею К. П. Бунiна очолив канд. техн. наук Ю. Н. Таран, доцент ДМет1 i у минулому аспiрант К. П. Бунiна.
Основна задача, яку К.П. Бунiн поставив перед новим керiвником вiддiлу, формулювалася коротко: стереоморфо-лопя евтектики. Це означало, що на основi зiвставлення велико! кiлькiстi послiдовних перерiзiв одного й того ж мюця зразка евтектичного сплаву треба було побудувати просторову модель евтектично! колони. Для того, щоб мати можливють одночасно вивчати будову евтектики в рiзних системах i тим виявити загальнi закономiрностii евтектично! кристалiзацi! К. П. Бунш видшив Ю. Н. Тарану деюлька аспiрантiв iз ДМет1 та 1ЧМ. До !х числа потрапив i автор цих рядив.
Передi мною К. П. Бунш поставив задачу дослвдити вплив модифшування на морфологш евтектики бiлого чавуну. Вважалось, що оск1льки нещодавно його астрант Я.Н. Малiночка захистив дисертацш про структуру ледебуриту, то лопчно далi вивчати струкгурнi змiнi в ледебурит шд впливом модифiкування. Це була дшсно актуальна задача, тому що якби вдалося в ледебурип перетворити цементит з матрично! фази в розгалужену, то це дало би змогу пiдвищити трiщиностiйкiсть таких модифтованих сплавiв i цим суттево збiльшити ресурс прокатних валк1в.
В той час для опису структури евтектично! колонi! використовувались двi конкурукш моделi.
Зг1дно з першою з них евтектика являе собою мехашчну сумiш дрiбних кристалiкiв двох фаз. Ця модель базувалась на результап вимiрювання Оффером теплоти розчинення у водi крiогiдратiв КМп04 i К2Сг207. Оск1льки теплота розчинення i евтектичних крiогiдратiв, i механiчно! сумiшi кристалiв цих евтектичних фаз була однакова, було зробле-но висновок про тотожшсть природно! евтектики i мехашчно! сумiшi.
Критика цього висновку дана в [1]. Показано, що осюльки сушш евтектичних фаз готували методом подабнення та перетирання в ступщ спочатку в1дносно великих кристалiв обох фаз, то в результап отримано мехашчну сушш кристалiв цих фаз з великою мiжфазною поверхнею, спiврозмiрною з цим параметром для евтектики. Тому енерге-тична тотожнiсть при розчиненш ц1е! сумiшi та природно! евтектики з такими ж фазами може характеризувати ильки тотожнiсть мiжфазно! фiзико-хiмiчно! взаемодИ' в обох об'ектах (наприклад, контактного плавлення або розчинення), але шяк не тотожнiсть просторового розмiщення евтектичних фаз.
Тим не менш уява про евтектику як про мехашчну сушш широко розповсюдилась не тшьки в 30-п роки, але й в сучаснш енциклопедшнш [2] та навчальнiй лiтературi [3].
Виршення задачi про 3Б структуру евтектики було не тшьки принципово важливим для теорi! евтектичного перетворення, але й мало практичний вихвд. Дiйсно, якщо евтектика е мехашчна сумiш кристалiв двох фаз, яю безпе-рервно зароджуються на фронп кристалiзацi!, ростуть та виклинюються, то основним методом регулювання структури, а значить i властивостей мае бути регулювання швидкосп зародження обох фаз на протязi всього перюду кристалiзацi! евтектики. У випадку, коли евтектика е розгалужений бiкристал евтектичних фаз, як це показано на оргашчних евтектиках А. А. Бочваром [4] та на ледебурип М. Х^ертом [5], структурш параметри евтектики регулю-
ються змшою лшшно! швидкосп просування фронту кристалiзацil та переохолодженням розплаву.
Такий неоднозначний пiдхiд до трактування просторово! мжроструктури евтектичного зерна виявився i в рiзних системах клаафшаци евтектик В. Тшлера [6], Е. Шайля [7], Вайнгарда [8], Б.Чалмерса [9] та ш.
Тому в цих юторичних умовах iнiциатива К. П. Бунша з оргашзацп широкого фронту дослщжень стереоморфо-логп евтектик була дуже актуальною та вчасною.
Важливою особливютю методологи Ю.Н. Тарана як безпосереднього керiвника робiт були вимоги до виконавщв пов'язувати отриманi структурнi моделi з головними кристалографiчними iндексами базовое' фази. Це було обумов-лено нашими з ним спостереженнями, що мiкроструктура евтектики, що утворилася на рiзних гранях базового кристалу цементиту, була принципово рiзною: якщо на площит (001)ц цементит був матричною фазою, то на пло-щиш (010)ц роль матрицi вiдiгравав аустешт. Ю. Н. Таран запропонував використати розумiння Бекке про трамвдаль-ного зростання кристалiв i нашi дат про просторову структуру секторiв евтектики, що сформувалося на рiзних базових гранях цементиту, разом з прив'язкою до кристалографiчних напрямк1в цементиту i даними про ступiнь гетеродесмiчностi мiжатомних зв'язк1в у цiй фазi. Така методика дала можливiсть побудувати 3Б модель ледебурит-но1' евтектики з величезним ступенем надiйностi (рис. 1).
[001]РезС
Рис. 1. Змша характеру мiкросгрукгури ледебуриту залежно вщ типу площини перер1зу (а - (001), в - (100), г - (001)) та 3Б модель евтектично'! колони (б) з прив'язкою до головних кристалографiчних напрямюв кристалу цементиту
У дослщженнях легованих бiлих чавутв зi спецiальними карбидами на основi Сг, W, V, також ситкокарбщв, боридiв залiза теж будувалися просторовi моделi евтектичних колонiй, що вмщали iнформацiю не тiльки про мшро-, але й про макроморфологiю.
В сучаснш теорп евтектично1 кристалiзацil важливе мiсце посiдаe проблема форм росту кристалiв евтектичних фаз. Виршення И значною мiрою спрощуе прогнозування морфологи евтектики в цiй системi i уможливлюе оцiнити очiкуваний рiвень властивостей. I компактнi, i розгалуженi кристали евтектичних фаз можуть зростати скругленими або ограненими. Щ двi форми росту пов'язують з особливостями кристалохiмiчноl природи дано1 фази. Зпдно з [10] форма росту кристалiв визначаеться величиною ентропil плавлення дано1 фази. При малiй величиш ентропiйного критерiю (до 2 кал/(моль-К)) ростуть скругленi кристали з атомно шорсткою поверхнею подiлу. Ця форма росту характерна для типових металiв. Високоентропшш фази (АБ > 7 кал/моль-К) утворюють ограненi кристали (алмаз, карбщи, бориди, силiциды металiв та ш.). Для огранених кристалiв характерна атомно-гладка поверхня подiлу та пошаровий механiзм росту. Оск1льки класифшащя Джексона встановлена для рiвноважних умов, вона не враховуе переохолодження розплаву при кристалiзацil. Цей недолiк виправлено в [11].
Обидва цi крт^я широко використовувались при анализi форм росту як первинних, так i евтектичних кристалiв обох фаз.
Попм було проведено системнi дослiдження у сплавах на основi кольорових металiв, в тому числi в силумшах, припаях, низцi модельних сплавiв. Розглядалося як стацiонарнi, так i нестащонарт процеси кооперативно1 кристалi-зэц!1. Результата опублжовано в монографil [12].
Разом iз проблемами, що традицiйно дискутувалися в теорil евтектичного перетворення, такими, як мжро- та макроморфологiя евтектичного зерна, безперервшсть евтектичних фаз, на порядок дня була поставлена низка абсолютно нових питань, а саме атомна будова i роль материнсько! рщко! фази в реалiзацil того чи шшого атомного
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2017
117
мехашзму евтектичного перетворення, можливiсть не тшьки «поатомно!» дифузп aTOMÍB компоненпв, а й «колектив -но!» дифузп атомiв в рамках кластера як цшого до фронту кристалiзацi! евтектично! фази. Розглянуто також змiну атомно! структури рщко! фази в перебiгу фiзико-хiмiчного впливу на розплав. На цш основi розроблено новий ме-ханiзм модиф^ування евтектичних сплавiв, в тому числ^ силумiнiв, що базуеться на уявленш про вплив локалiзацi! електронно! густини мiжатомного зв'язку у рiзних кристалографiчних напрямках.
Термодинамiчний аналiз трифазно! евтектично! рiвноваги ускладнюеться в разi мжрогетерогенно! будови рщко! фази. На приклад системи Al-Si, атомна будова редко! фази яко! вивчалася в [13, 14], показано [15], що крива термоди-нашчного потенцiалу редко! фази в певних випадках може утворювати заметь одного - два мшмуми, як в старiючих твердих розчинах [16]. При цьому кожний з ттмушв мае свою дотичну до мшмушв термодинамiчних потенцiалiв кристалiчних фаз евтектики. Отже, ускладнення полягае в тому, що величини хiмiчних потенцiалiв атомiв цього компоненту в кластерi та дисперсiйному середовищi редко! фази принципово не можуть бути рiвними i тому в умовах макроскотчно! трифазно! рiвноваги зберiгаються локальш дифузiйнi мiкропотоки, як обумовленi наявшстю клас-терiв.
Ще до недавна вважали, що переев рiдини над лжведусом монотонно впливае на зменшення кластерiв. Однак з п1двищенням чутливосп прилад1в фiзики-хiмiчного аналiзу редких сплашв було показано, що на полттермах щiльностi, в'язкостi та iнших властивостей спостерiгаеться !х гiстерезис, а також стрибкоподабний розрив безперервностi кривих при фжсованих (для даного сплаву) температурах [17, 18]. Характерно, що на полгтермах залежносп механiчних властивостей вед перегрiву розплаву перед кристалiзацiею теж виявляються стрибки при таких же, або близьких температурах [1].
Ц ефекти сведчать про наявнiсть структурних перетворень в рiдкiй фазi, а також про активну роль редко! фази у формуваннi структури та властивостей ведливки. Це ведкрило можлив^ь для подальшого розвитку теорй' металургш-но! спадковостi з використанням !! закономiрностей в технологй' кристалiзацiйних процеав не тiльки евтектичних, але й сплашв iнших тип1в.
Прикладом може слугувати використання рiдкофазно! обробки бшого чавуну з метою лiквiдацi! монолгтносп ледебуритно! матрицi, тобто вирiшення найпершо! задачi щодо модифiкацi! структури бшого чавуну, яку поставив ncpcji мною К. П. Буши (рис. 2).
Наведеш структурнi ряди для доевтектичного (а-в) та заевтектичного чавушв (г-д) показують, що завдяки редкофазнш обробцi можлива не тiльки часткова (б, д), але й повна (в, е) л^щащя монолгтносп цементитно! фази. При цьому цементит формуе пакет рейок, розд-iлених аустенiтними промiжками. Напрямок росту -[010] Fe3C. Доречно вказати, що саме така структурна складова зафшсована на 3D схемi евтектично! колони як продукт росту евтектики у напрямку [010] Fe3C ( рис. 1б).
Отже, стратепчна задача щодо виявлення законо-мiрностей утворення мжро- та макроструктури евтектичних сплавiв та розробки основних положень фор-мування 3D структури евтектичного зерна у сплавах з рГзною кристалохiмiчною природою фаз , що була поставлена К. П. Бутним перед вченими Дтпропетровсь-ко! науково! школи металознавцiв, устшно виконана.
Загальний висновок по уах роботах: евтектика в за-гальному випадку е двофазний дендритний блистали' (для бiнарно! системи) з розгалуженими галками, що взаемно проросли одне в Тнше в перебiгу кооперативно! евтектично! кристалiзацi!. Конкретна мжро- и макроструктура визна-чаеться кристалохiмiею фаз (форми росту) та кинетикою кристалТзацп (геометричнi параметри фази i колони в цшому i можливютю утворення метастабiльних фаз).
Вирiшальну роль в багаторiчному процесi цих доследжень без сумтву вiдiграв Ю. Н. Таран. Його талант наукового ^рГвникз та демократичного адмiнiстратора («У нас демокрапя на гранi анархи» - Ю. Н.) дозволив йому за допомо-гою власного прикладу (мп працювати за мжроскопом щлу шч, коли вiбрацiя вед транспорту була значно меншою) запалювати ведносно не чисельний науковий колектив на виконання стратепчних задач металознавства.
Список лтератури
1. Мазур В. И. Введение в теорию сплавов / В. И. Мазур, А. В. Мазур. - Днепропетровск : Лира ЛТД. - 2009. - 264 с.
2. Инденбаум Г. В. Эвтектика / Инденбаум Г. В. // Большая Советская Энциклопедия (БСЭ). - М. : 1969. -1978.
3. Солнцев Ю. П. Материаловедение : Учебник для вузов / Солнцев Ю. П., Пряхин Е. И., Войткун Ф. - М. : МИСИС. -1999. - 600 с.
Рис. 2. Змша мжроструктури ледебуритного цементиту, що закристал1зовався при переохолодженш: 5 °С (а, г), 20 °С (б, д), 35 °С (в, е) х100
4. Бочвар А. А. Исследование механизма и кинетики кристаллизации сплавов эвтектического типа / Бочвар А. А. - М.-Л., 1935. -81 с.
5. Hillert М. The structure of white cast iron / Hillert М., Stei^user H. // Jernkontorets Annaler. - 1960. - Vol. 144. - Н. 7. - P. 520559.
6. Тиллер В. А. Многофазная кристаллизация / Тиллер В. А. // В кн. Жидкие металлы и их затвердевание. - М. : Металлур-гиздат, 1962. - C. 305-354.
7. Scheil E. Uber die eutektische Kristallization / Scheil E. // Z. Metallkunde. - 1954.- -Bd. 45. - P. 298-309.
8. Kerr H.W. and Winegard W.C. // Journal Inst, of Metals. - 1966. - Vol. 206. - 563 p.
9. Чалмерс Б. Теория затвердевания / Чалмерс Б. - М. : Металлургия. -1968. - 228 с.
10. Джексон К. А. Механизм роста кристаллов / Джексон К. А. // В кн. Жидкие металлы и их затвердевание. - М. : Металлур-гиздат. - 1962. - C. 200-214.
11. Салли И. В. Кристаллизация сплавов / Салли И. В. - К. : Наукова думка. - 1974. - 136 c.
12. Таран Ю. Н. Структура эвтектических сплавов / Таран Ю. Н., Мазур В. И. - М. : Металлургия. - 1978. - 312 с.
13. Исследование строения жидких сплавов Al-Si. Ч.1. Доэвтектические и эвтектические расплавы / Пригунова А. Г., Таран Ю. Н., Романова A. B. и др. // Металлофизика. - 1983. - T. 5. - № 1. - C. 88-94.
14. Исследование строения жидких сплавов Al-Si. Ч. 2. Заэвтектические расплавы / Пригунова А.Г., Романова A.B., Таран Ю.Н. и др. // Металлофизика. - 1983. - T. 5. - № 3. - C. 54-57.
15. Маzur A. V. The features of the phase equilibria in the system with micro-heterogeneous liquid phase / Маzur A. V., Маzur V. I., Gasik M. M. // Металознвство та обробка металiв. - 2017. - № 2. - C. 12-19.
16. Чуистов К. В. Модулированные структуры в стареющих сплавах / Чуистов К. В. - К. : Наукова думка. - 1975. - 231 с.
17. Замятин В. М. Методы и результаты исследований неравновесных состояний алюминиевых расплавов / Замятин В. М., Баум Б. А. // В кн. Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов, т. 2. - Челябинск, 1998. - 6 c.
18. Ладьянов В. И. О вязкости микронеоднородных жидких сплавов / Ладьянов В. И., Кузьминых Е. В., Логунов С. В. // Металлы. - 1997. - № 4. - C. 22-27.
Одержано 21.06.2017
© Д-р техн. наук, професор, заслужений дiяч науки i техшки УкраГни В. I. Мазур
Нацюнальний техшчний ушверситет Укра'ши «КП1» ím. I. Скорського, м. Кш'в
Mazur V. Dnipropetrovsk scientific school of metallurgy and Yu. N. Taran
ISSN 1607-6885 Hoei матерiали i технологи в металургИ та машинобудувант №1, 2017 119
