КОНВЕКТИВНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ С ОБЛАСТЬЮ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА

ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2013. Вып. 2
ФИЗИКА И ХИМИЯ

Физика конденсированного состояния

УДК 536.421.4

Д.В. Александров, А.В. Бритоусова, С.В. Вихарев, А.А. Иванов, А.П. Малыгин, И.Г. Низовцева, 
И.О. Стародумов

КОНВЕКТИВНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ 
С ОБЛАСТЬЮ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА

Проведено исследование и обобщение полуэмпирических подходов и моделей описания структурно-фазовых переходов в процессах затвердевания с двухфазной зоной на различные законы конвективного тепломассопереноса 
в жидкой фазе системы при разных переохлаждениях и кинетических механизмах роста твердого вещества.

Ключевые слова: затвердевание, конвекция, двухфазная зона.

Многочисленные экспериментальные данные по затвердеванию расплавов, выращиванию кри
сталлов, а также данные полевых наблюдений по замерзанию морской воды свидетельствуют о 
сильном влиянии конвективно-кинетических механизмов тепломассопереноса на динамику структурно-фазовых переходов. Изучение таких процессов в значительной степени опирается на экспериментально известные зависимости, определяющие кинетические и конвективные механизмы роста 
твердой фазы и вместе с тем являющиеся характеристиками конкретных веществ и условий проведения наблюдений. Настоящая работа обобщает известные полуэмпирические подходы и модели 
описания таких процессов на различные законы конвективного тепломассопереноса в жидкой фазе 
системы при разных переохлаждениях и кинетических механизмах роста твердого вещества.

Рассмотрим процесс кристаллизации бинарной системы, изображенный на рис. 1. В начальный 

момент времени расплав температуры 
0
T  начинает охлаждаться от границы 
0
=
z
, поддерживае
мой при температуре 
bT , которая может зависеть от времени t . На самых начальных стадиях про
цесса происходит образование двухфазной области, разделяющей чисто твердую и чисто жидкую 
фазы системы [1]. Отметим, что такой процесс образования протекает достаточно быстро как в металлургических процессах затвердевания расплавов [2], так и в геофизических процессах замерзания 
солевых растворов [3] (при этом чисто твердая фаза занимает обычно узкий слой вблизи охлаждаемой границы). Далее кристаллизация происходит с движущейся областью фазового перехода 

ih
z <
<
0
, в которой претерпевает рост доля   твердой фазы системы.

Рис. 1. Схематическая диаграмма процесса. В областях I, II и III соответственно располагаются 

двухфазная зона, расплав и твердая фаза. На рисунке проиллюстрировано распределение 

температуры в различные моменты времени