Thermodynamics of Multicomponent Amorphous Alloys: Theories and Experiment Comparison

On the basis of the existing thermodynamic theories of the amorphous matter (semi-empirical Miedema model and Shao theory), the integral (enthalpy and Gibbs energy) and partial molar characteristics of a multicomponent iron-based amorphous alloy are determined. It is demonstrated that for quaternary alloy Fe – 7.3 % Si – 14.2 % B – 8.26 % Ni these approaches give substantially different values of Gibbs energy and enthalpy at elevated temperatures, however, the difference between the values calculated by these two models becomes insignificant at a room temperature. For the first time, the chemical potential and partial molar enthalpy of iron (the base element of the amorphous phase) are compared with the data obtained from electrochemical measurements. It is demonstrated that the existing thermodynamic models give incorrect description of the partial molar parameters of the components of amorphous phase

Hyperchaotic qualities of the ball motion in a ball milling device

Ball collisions in milling devices are governed by complex dynamics ruled by impredictable impulsive forces. In this paper, nonlinear dynamics techniques are employed to analyze the time series describing the trajectory of a milling ball in an empty container obtained from a numerical model. The attractor underlying the system dynamics was reconstructed by the time delay method. In order to characterize the system dynamics the calculation of the spectrum of Lyapunov exponents was performed. Six Lyapunov exponents, divided into two terns with opposite sign, were obtained. The detection of the positive tern demonstrates the occurrence of the hyperchaotic qualities of the ball motion. A fractal Lyapunov dimension, equal to 5.62, was also obtained confirming the strange features of the attractor

Onset of chaotic dynamics in a ball mill: attractors merging and crisis induced intermittency

In mechanical treatment carried out by ball milling, powder particles are subjected to repeated high-energy mechanical loads which induce heavy plastic deformations together with fracturing and cold-welding events. Owing to the continuous defect accumulation and interface renewal, both structural and chemical transformations occur. The nature and the rate of such transformations have been shown to depend on variables, such as impact velocity and collision frequency that depend, in turn, on the whole dynamics of the system. The characterization of the ball dynamics under different impact conditions is then to be considered a necessary step in order to gain a satisfactory control of the experimental set up. In this paper we investigate the motion of a ball in a milling device. Since the ball motion is governed by impulsive forces acting during each collision, no analytical expression for the complete ball trajectory can be obtained. In addition, mechanical systems exhibiting impacts are strongly nonlinear due to sudden changes of velocities at the instant of impact. Many different types of periodic and chaotic impact motions exist indeed even for simple systems with external periodic excitation forces. We present results of the analysis on the ball trajectory, obtained from a suitable numerical model, under growing degree of impact elasticity. A route to high dimensional chaos is obtained. Crisis and attractors merging are also found

Особенности формирования объемных пористых систем при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе. Бориды

The effect of ultrasound oscillations (USO) on the combustion velocity and temperature, phase composition and microstructure of compounds produced by the self-propagating high-temperature synthesis (SHS) in the Ti–B system is studied using the earlier developed experimental setup. It is shown that the effect of powerful ultrasound on SHS is connected with the thermal factor, viz. the enhancement of heat removal from the specimen surface due to forced convection, and the physical (non-thermal) factor that consists in the influence of USO on the melt spreading and crystallization of different phases in the SHS wave. It is demonstrated that for multiphase system Ti–B an increase of the boron content in the initial charge leads to grain refinement of the synthesized product and the imposition of USO on the SHS results in a change in the grain morphology: their shape becomes closer to equiaxial. In composition Ti+1.5B, under the action of USO cubic-shape product grains are observed on the inner surface of pores, and in composition Ti+2.0B the synthesized TiB2 grains become more vividly facetted.As a result of imposition of ultrasound on the synthesis process, grain refinement is observed for all the compositions along with the formation of a large number of borides and their redistribution in the volume. The use of ultrasound brings about changes in the quantitative phase composition of the synthesis products and the ratio between the orthorhombic and cubic modifications of phase TiB. The research has shown that the presence of pores in the initial charge plays an important role in the structure formation of the final product, and hence it appears impossible to obtain an equilibrium material by the SHS method. It is found that an optimal USO amplitude exists at which it is possible to obtain uniform fine-grained structure of the material. This permits controlling the structure formation at SHS. На разработанной экспериментальной установке исследовано влияние ультразвуковых колебаний (УЗК) на скорость и температуру горения, фазовый состав и микроструктуру соединений при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе (СВС) в системе Ti–B.Показано, что влияние мощного ультразвука на СВС в данной системе связано как с тепловым фактором – повышением интенсивности теплоотвода от поверхности образца из-за вынужденной конвекции, так и с физическим (нетепловым) – воздействием УЗК на растекание расплава и кристаллизацию различных фаз в волне СВС. Показано, что для многофазной системы титан-бор увеличение содержания бора в исходной шихте приводит к измельчению зерен в структуре синтезированного материала, а наложение ультразвуковых колебаний на процесс СВС приводит к изменению морфологии зерен: их форма становится более равноосной. В составе Ti+1,5B на внутренней поверхности пор наблюдается увеличение содержания зерен кубической формы, а в составе Ti+2,0B синтезированные зерна TiB2 приобретают более четкую огранку.В результате наложения ультразвука на процесс синтеза для всех составов прослеживается измельчение зерен продукта наряду c образованием большого числа боридов и перераспределением их в объеме. Применение ультразвука приводит к изменению количественного фазового состава продуктов синтеза и соотношения между орторомбической и кубической модификациями фазы TiB. Проведенные исследования показали, что наличие пор в исходной шихте играет значительную роль в процессах структурообразования конечного продукта, и поэтому получить равновесный материал методом СВС невозможно. Установлено, что существует оптимальная амплитуда УЗК, при которой можно получить однородную мелкозернистую структуру материала, что позволяет управлять структурообразованием при СВС

Структурно-фазовые состояния боридов титана, полученных методом само распространяющегося высокотемпературного синтеза в поле ультразвуковых колебаний

The effect of ultrasound oscillations (USO) on the velocity and temperature of combustion during self-propagating high-temperature synthesis (SHS) in the Ti-B system and structural and phase states of the produced titanium borides is studied using the earlier developed experimental setup. The effect of USO on SHS is subdivided into thermal and physical (non-thermal). The thermal influence is connected with cooling of the specimen surface because of the occurrence of forced convection of the ambient gas, and the physical effect is due to the action of USO on complex interaction processes in the SHS wave such as melt spreading, heterogeneous reactions and mass transfer in the liquid phase. Imposition of USO on the SHS process brings about changes in the phase composition of the synthesis products. For charge composition Ti–1.0В the content of orthorhombic modification of phase TiB increases from 78.2 % without USO to 82.9 % at the USO amplitude ξ = 10 mm, while the content of the cubic modification of this phase decreases from 9.2 % at ξ= 0 to 6.8 % at ξ = 10 mm. For all the examined compositions, the amount of residual titanium and Ti3B4 decreases and the content of TiB2 increases. It is determined that carrying out SHS in the field of USO results in a change of the specific heat capacity of the target synthesis products: with raising the USO amplitude it increases by 4–5 %. Thereby it is shown that imposition of USO on SHS is an efficient physical method for purposeful regulation of structural and phase states and therefore properties of the synthesis products and can be used as a means for controlling the synthesis process.На  разработанной  экспериментальной  установке  исследовано  влияние  ультразвуковых  колебаний (УЗК) на температуру и скорость горения при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе (СВС) в системе Ti–B и структурно-фазовые состояния полученных боридов. Влияние УЗК на СВС разделено на тепловое и физическое (нетепловое).  Тепловое  воздействие  связано  с  охлаждением  поверхности  образца  из-за  возникновения  вынужденной конвекции окружающего газа, а физическое – с влиянием УЗК на комплексные процессы взаимодействия в волне СВС, такие как растекание расплава, гетерогенные реакции и массоперенос в жидкой фазе. Наложение УЗК на СВС-процесс приводит к изменению фазового состава продуктов синтеза. Для шихты состава Ti–1,0В содержание орторомбической модификации фазы TiB увеличивается от 78,2 % без УЗК до 82,9 % при амплитуде УЗК ξ = 10 мкм, а содержание кубической модификации этой фазы уменьшается с 9,2 % при ξ= 0 до 6,8 % при ξ = 10 мкм. Для всех исследованных составов количество остаточного титана и фазы Ti3B4 уменьшается, а содержание фазы TiB2 увеличивается. Установлено, что проведение СВС в поле УЗК приводит к изменению удельной теплоемкости конечных продуктов синтеза: при увеличении амплитуды УЗК она возрастает на 4–5 %. Таким образом, показано, что наложение УЗК на СВС является эффективным физическим методом целенаправленного регулирования структурно-фазовых состояний и, следовательно, свойств продуктов синтеза и может быть использовано в качестве средства управления процессом синтеза

Механизм влияния ультразвука на процессы горения и структурообразования при СВС в системах на основе титана

Using the developed experimental setup, the effect of ultrasonic oscillations (USO) on the temperature and combustion velocity during self-propagating high-temperature synthesis (SHS) in the Ti–C, Ti–C–Ni–Mo and Ti–B systems is studied. Basing on the analysis of data known in literature and our own measurements, theoretical explanation to the observed results is proposed. The effect of the intensity of ultrasonic oscillations on the composition and structure of the final synthesis products is established. It was found that along with changes in the parameters of the combustion wave, the completeness of the interaction increases, and changes in the microstructure and phase composition of the reaction products occur. The concept of separation of the effect of USO on SHS into thermal, or macroscopic, and non-thermal, or microscopic is proposed. The former is associated with forced convection of gas around an oscillating specimen and leads to a decrease in temperature and combustion velocity. The latter is connected with a change in the melt spreading conditions, the progress of heterogeneous reactions and mass transfer in the liquid phase in the high-temperature zone of the SHS wave, which lead to a change in the phase composition and structure of the final product.На разработанной экспериментальной установке исследовано влияние ультразвуковых колебаний (УЗК) на температуру и скорость горения при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе (СВС) в системах Ti–C, Ti–C–Ni–Mo, Ti–B. На основании анализа существующих литературных данных и собственных измерений разработано теоретическое объяснение полученных результатов. Установлено влияние интенсивности ультразвуковых колебаний на состав и структуру конечных продуктов синтеза. Получено, что наряду с изменением параметров волны горения увеличивается полнота взаимодействия и происходит изменение микроструктуры и фазового состава продуктов реакции. Предложена концепция разделения влияния УЗК на СВС на тепловое (макроскопическое), связанное с вынужденной конвекцией газа вокруг осциллирующего образца, которая приводит к снижению температуры и скорости горения, и микроскопическое (нетепловое) воздействие, связанное с изменением условий растекания расплава, протекания гетерогенных реакций и массопереноса в жидкой фазе в высокотемпературной зоне волны СВС, что приводит к изменению фазового состава и структуры конечного продукта