Structure
INSTITUTE OF METAL PHYSICS OF NASU.
   Отдел организован в 1945 г. акад. АН Украины В.И. Даниловым, который здесь продолжил начатые в созданной им в Днепропетровском физико-техническом институте лаборатории кристаллизации (1931 г.) систематические исследования атомной структуры жидкостей и физической природы процессов перехода их в твёрдое состояние. С 1965 по 1982 г. отдел возглавлял заслуженный деятель науки Украины д-р физ.-мат. наук, проф. Д.Е. Овсиенко, в 1982-1983 гг. - д-р физ.-мат. наук Г.А. Алфинцев. С 1983 г. отделом руководит д-р физ.-мат. наук В.В. Маслов. С 2010 года отдел возглавил д-р физ.-мат. наук В.К. Носенко.
   Рентгенографические исследования характера расположения атомов в жидких металлах, различий в степени нарушения ближнего порядка при плавлении металлов с разным типом кристаллической решётки, особенностей атомного строения расплавов эвтектических сплавов и молекулярных жидкостей, водных солевых растворов и другие, выполненные В.И. Даниловым и его учениками, являются фундаментальным вкладом в формирование современных представлений о природе жидкого состояния. Им же решён ряд принципиальных вопросов перехода из жидкого состояния в кристаллическое. До настоящего времени сохранили свою актуальность результаты исследований воздействия нерастворимых примесей на процесс зарождения центров кристаллизации, а также эффектов их активации и дезактивации. Это позволило В.И. Данилову впервые сформулировать критерии экспериментального наблюдения гомогенной кристаллизации и предложить научно обоснованную классификацию веществ по склонности их к переохлаждению, базирующуюся на степени соответствия ближнего порядка в жидкой и твёрдой фазах. Полученные им результаты явились физической основой для разработки теории модифицирования и открыли новые возможности направленного воздействия на структуру и свойства литого металла путём рационального выбора модификаторов, а также создания особых условий затвердевания, включая ультразвуковую обработку кристаллизующегося расплава. За работы в области кристаллизации В.И. Данилов в 1950 г. был удостоен Государственной премии СССР, а его книга "Строение и кристаллизация жидкости" (1956 г.) и сегодня является ценным пособием для исследователей, работающих в этих областях.
   В последующие годы тематика отдела развивалась в направлении изучения процессов зарождения, роста и морфологии кристаллов, а также выяснения природы формирования структурных несовершенств в металлических монокристаллах, выращиваемых из расплава.
   Изучены кинетика и механизм зарождения центров кристаллизации на естественно активных поверхностях ("изоморфные" примеси, оксиды, карбиды), выяснена их роль в формировании литой (первичной) структуры (Д.Е. Овсиенко, В.П. Костюченко, Г.А. Алфинцев, В.С. Герасименко).
   При изучении кристаллизации малых объёмов чистых металлов (железо, никель, кобальт) достигнуты переохлаждения порядка 0,3 TПЛ и тем самым показана несостоятельность представлений о реализации гомогенного зародышеобразования при считавшихся предельными для металлов переохлаждениях 0,2 TПЛ. Совокупность прямых данных по кинетике зародышеобразования и результатов изучения переохлаждаемости серии однофазных сплавов железа и никеля в широкой концентрационной области дала возможность выяснить механизм влияния растворимых примесей на формирование литой структуры в условиях гетерогенного зародышеобразования и пересмотреть взгляды, существовашие на этот счёт в теории модифицирования растворимыми добавками (Д.Е. Овсиенко, В.В. Маслов).
   Значительно расширены и углублены представления о сущности и механизмах процессов, определяющих формирование структуры при затвердевании переохлаждённых вплоть до 300 К расплавов металлов и сплавов. Обнаружены новые структурные состояния, характерные лишь для кристаллизации в условиях глубоких начальных переохлаждений расплава (переход от дендритной формы роста к качественно новой сферолитной, резкое измельчение зеренной структуры при критических переохлаждениях и др.). Впервые показано, что в формировании структуры переохлаждённых слитков важная роль принадлежит вторичным процессам её перестройки (рекристаллизации и/или полигонизации), которые инициируются критическим уровнем внутренних микронапряжений, накапливаемых в процессе высокоскоростного затвердевания (Д.Е. Овсиенко, В.В. Маслов, Г.А. Алфинцев).
   Значительное место в тематике отдела занимают проблемы сверхбыстрой (до 107 К/с) закалкой расплава на вращающемся диске (спиннингование) металлических сплавов, изучения их структуры и свойств. Создано соответствующее оборудование, изучена взаимосвязь между условиями получения и структурным состоянием широкого спектра быстрозакалённых микрокристаллических и аморфных лент и предложены защищённые авторскими свидетельствами и патентами технологические решения, обеспечившие высокий уровень и воспроизводимость их физико-химических свойств (В.В. Маслов, В.К. Носенко, Д.Ю. Падерно). Проведено систематическое исследование динамики структурных и фазовых изменений в быстрозакалённых микрокристаллических лентах одно- и многофазных сплавов в зависимости от скорости охлаждения (толщины лент). Впервые установлен ряд закономерностей и мехнизмов первичного и вторичного структурообразования при затвердевании в условиях сверхбыстрого одно- и двухстороннего охлаждения расплава. Показано, что они имеют во многом общий характер независимо от того, реализуется высокоскоростное затвердевание в условиях глубокого переохлаждения всего объёма расплава или сверхбыстрым охлаждением его тонких слоёв (В.В. Маслов, В.К. Носенко).
   В отделе изучены и объяснены характерные для быстрозакалённых лент однофазных сплавов такие особенности роста и морфологии кристаллов, как их преимущественный наклон в одновалковых лентах (спиннингование), а также неоднократные изменения направления роста кристаллов, их фрагментация и расщепление при двухстороннем охлаждении расплава. Установлена концентрационная природа таких эффектов и их связь с потоками расплава относительно фронта затвердевания, которые присущи указанным методам закалки из жидкого состояния. Обнаружена принципиально новая возможность получения быстрозакалённых композитных материалов путём создания в расплаве концентрационных неоднородностей непосредственно перед закалкой (В.В. Маслов, В.К. Носенко, О.П. Фёдоров).    Установлена взаимосвязь между условиями получения и структурным состоянием лент аморфных сплавов железо-бор доэвтектического состава, изучено влияние легирования малыми растворимыми добавками, а также gamma-облучения на кристаллизацию этих сплавов, предложены критерии прогнозирования склонности этих сплавов к аморфизации и их термической стабильности, основывающиеся на установленных закономерностях зарождения и роста первичных кристаллов в аморфной матрице (В.В. Маслов, Д.Ю. Падерно).
   Проведённые исследования и разработки в области сверхбыстрой закалки сплавов позволили создать ряд новых композиций аморфных, микро- и нанокристаллических сплавов с особым сочетанием магнитных, электрических, коррозионных, прочностных и других свойств, которые уже используются в различных областях современной техники и технологии В.В. Маслов, В.К. Носенко, Д.Ю. Падерно, В.З. Балан, Ю.К. Покровский). Результаты изучения структуры и свойств метастабильных аморфных и микрокристаллических сплавов вошли составной частью в цикл работ, удостоенные в 1992 г. Государственной премии Украины (В.В. Маслов).
   Принципиальное значение для развития теории кристаллизации имеют результаты проводимых в отделе исследований процессов роста кристаллов в модельных металлоподобных органических веществах. Определён экспериментальный критерий разделения вещества по механизмам и формам роста кристаллов. Выяснен механизм влияния растворимых добавок на кинетику и морфологию роста кристаллов, характер их распределения, а также отличительные особенности в изменении форм роста кристаллов низко- и высокоэнтропийных веществ при увеличении переохлаждения (Д.Е. Овсиенко, Г.А. Алфинцев, О.П. Фёдоров, Г.П. Чемеринский). Изучено взаимодействие содержащихся в расплаве твёрдых и жидких включений, а также концентрационных неоднородностей с растущим кристаллом. Впервые обнаружено морфологическое влияние твёрдых частиц и концентрационных неоднородностей, проявляющееся в потере устойчивости плоского фронта кристаллизации и расщеплении дендритов. Показано, что наличие искусственно созданных в расплаве концентрационных неоднородностей вызывает измельчение дендритной структуры слитка и тем самым повышает степень его химической неоднородности (Д.Е. Овсиенко, О.П. Фёдоров, Г.П. Чемеринский).
   О.П. Фёдоров, Г.П. Чемеринский и М.Б. Кривошей исследовали преобразование дендритной структуры в сплавах с равномерно распределёнными компонентами и показали, что в изотермических условиях оно сопровождается сглаживанием ветвей дендрита или их коагуляцией, приводящей к образованию плитообразной структуры, а отделение боковых ветвей от ствола и образование новых кристаллов реализуется лишь в случае температурных флуктуаций или при наличии в расплаве концентрационных неоднородностей.
   А.Г. Борисов, О.П. Фёдоров и В.В. Маслов установили влияние кристаллографической анизотропии на характер потери устойчивости округлого кристалла и показали, что стационарный дендритный рост для кристаллов с ОЦК и ГЦК-решёткой реализуется лишь в кристаллографическом направлении <100>, тогда как для лругих кристаллографических направлений обнаружен характерный для них нестационарный пульсирующий рост или образование разветвляющихся недендритных форм. Выявлены характерные особенности ячеистой, ячеисто-дендритной и дендритной структур фронта затвердевания при направленной кристаллизации и получены их количественные характеристики, зависящие от скорости выращивания и ориентации затравки, установлены отличия в механизмах формирования ячеистой структуры для случаев нормального и послойного роста (О.П. Фёдоров, А.Г. Борисов). Проведено систематическое исследование влияния кристаллогрофического направления выращивания на ростовую структуру металлических монокристаллов разбавленных ГЦК и ГПУ-твёрдых растворов, установлена взаимосвязь морфологии, межфазной границы и, соответственно, сегрегационной субструктуры со степенью отклонения системы от равновесия, впервые построена общая схема эволюции струкутры роста и малоугловых границ типичных металлических кристаллов (О.П. Фёдоров, Е.Л. Живолуб).
   В процессе исследований установлены закономерности влияния условий и параметров роста, концентрации и типа легирующих элементов на характер распределения последних, дислокационную структуру и свойства монокристаллов. Выяснен механизм этого влияния и сформулированы физические принципы оптимального легирования, обеспечивающие макроскопически однородное распределение легирующих добавок, улучшение характеристик дислокационной структуры и улучшение физико-химических свойств монокристаллов. Впервые экспериментально доказана важная роль термически неравновесных вакансий в развитии дислокационной структуры монокристаллов, развита модель и описан механизм формирования в них полосчатой структуры, определяющихся взаимодействий термических напряжений, концентрационной микронеоднородности и морфологии фронта кристаллизации. Это позволило разработать условия выращивания совершенных кристаллов и впервые в стране получить бездислокационные монокристаллы меди. Предложены и внедрены новые технологии выращивания легированных монокристаллов молибдена и вольфрама с улучшенными струкутрой и свойствами (Д.Е. Овсиенко, И.К. Засимчук, Е.И. Соснина, А.В. Фомин, Е.П. Павлов).
   Результаты проводимых в отделе исследований обобщены в монографии Д.Е. Овсиенко "Зарождение и рост кристаллов из расплава" (1994 г.).