4.3.10. Состояние вопроса

Взаимоотношения традиционной молекулярной теории и эксперимента в обсуждаемых вопросах примерно такие же, как и при анализе квазикристаллических свойств. В традиционной молекулярной модели явления "памяти" и "наследственности" невозможны. Максвелловские времена релаксации в модели по порядку величины примерно соответствуют периоду атомных колебаний. В компьютерном эксперименте за время 100 - 102 колебаний удается зафиксировать, по крайней мере, значительное продвижение к равновесию каждого процесса. Следовательно, жидкость в традиционной модели должна "забывать" о воздействиях на нее и о наследственных особенностях, например, уже за 10-12 с. Поэтому сточки зрения последовательной традиционной теории подобные данные являются странными, возможно, ошибочными, подлежат проверкам и перепроверкам; если же некоторые факты все же подтвердятся, то следует поискать для них какие-то иные толкования.

Характерная для теоретиков позиция (в данном случае - по микронеоднородности) сформулирована в [27]: "Пока не будут выяснены пути теоретического объяснения картины микронеоднородности в больших областях, представление о таких областях, основывающееся главным образом на косвенных доказательствах, остаётся лишь более или менее вероятной гипотезой".

Иногда представляется, что противоречие традиционной теории и эксперимента можно устранить, если провести широкую свободную дискуссию. Такие ожидания не оправдываются. Так, обширная дискуссия по микронеоднородности эвтектических расплавов прошла в 60-е годы. Согласие не было достигнуто, скорее выявился тупик, бесперспективность подобных споров; с тех пор, согласно [132], не опубликовано ни одной теоретической работы о физической природе явления. Не привела к взаимопониманию и широкая дискуссия по термовременной обработке и превращениям в жидком железе, проведенная на протяжении 1985 года журналом "Известия вузов. Черная металлургия". Это вполне понятно: чтобы "признать" такие данные, традиционная теория должна провести радикальное изменение идеологии, а это означает болезненную ломку, от которой предохраняют психологические защитные механизмы.

Если мы принимаем существование зернистой структуры жидкости, которая может наследоваться от расплавляемого образца и передаваться новому образцу при кристаллизации, то явления наследственности становятся вполне понятными. Нетрудно представить также измельчение студнеобразных зерен жидкости при перемешивании, при ультразвуковой обработке; можно, очевидно, построить удовлетворительную модель для "раскачивания" границ зёрен переменным магнитным полем, что облегчает перемещение границ и течение по границам. Вполне понятно, что с приближением к температуре структурной перестройки (или "полиморфного превращения") устойчивость структуры зерен понижается, и "раскачивающее" действие переменного поля проявляется сильнее (см. рис. 4.9), изменение вязкости возрастает.

Отметим, что в традиционной теории причиной появления твердости считали появление дальнего порядка, а до рентгенографии - огранку, несферичность элементарных частичек кристалла (глава 1). В этой модели практически нет иных возможностей объяснить затвердевание. Поэтому само существование таких жидкокристаллических фаз с дальним порядком, но без прочности (или стекол, твердых, но без дальнего порядка) становится еще одним новым фактом, противоречащим традиционному подходу. Но эти факты теперь слишком очевидны, и их нельзя рассматривать как сомнительные или "отложить их признание" до построения убедительной молекулярной модели.

Значительные усилия тратятся на то, чтобы обосновать представление: дальний порядок жидкого кристалла "не такой", как в твердом состоянии, например, лишь ориентационный, или не по всем осям, вызывается лишь особой формой молекул и др.; это смягчает отмеченное противоречие. В случае стекол отмеченное противоречие смягчается допущением о некоторых упорядочениях, кристаллитах и др.

В предлагаемой модели затвердевание связано с другим фактором - со стабилизирующими структуру эффектами, поэтому существование жидких кристаллов, с одной стороны, и стекол, - с другой, не является удивительным и не требует теоретического оправдания.

Если в теории полезность потоковой обработки дискуссионна, то на практике считается вполне очевидным, что всякое перемешивание жидкого металла в сталеплавильной ванне улучшает его качество. Необходимость и полезность интенсивного барботажа, "чистого кипа" является одним из основных принципов сталеплавильного процесса. Известно, что при прочих равных условиях качество металла улучшается в следующем ряду процессов, расположенных по нарастанию интенсивности перемешивания: открытая дуговая плавка - вакуумно-дуговой переплав - такой же переплав с электромагнитным перемешиванием - электрошлаковый переплав. При электрошлаковом переплаве происходит интенсивное течение жидкого металла в пленке на поверхности оплавляемого электрода, с весьма высокой степенью деформации микрообъемов.

Для исследователей, обобщающих экспериментальные данные, обсуждаемые явления вполне реальны, не подлежат сомнению ( Следует отметить, что в металлургической практике давно применяется более широкий круг таких эффектов, по сравнению с обсуждаемыми в теоретических дискуссиях.). Разработан ряд теорий, цель которых - объяснение перечисленных явлений. Трудным оказывается вопрос о природе носителей структурной информации в жидкости, или "генов наследственности", через которые информация о структуре поликристалла передается жидкости, а затем новому поликристаллу. В теории кристаллизации Таммана специально для этой цели постулируются "анизотропные молекулы", разлагающиеся при перегреве; в теории Данилова - адсорбционные слои, способные активироваться и дезактивироваться.

Предполагалось также, что роль этих "генов" выполняют группировки атомов, скреплённые ковалентными направленными связями, однако это явление наблюдается и у металлов со сферически симметричным взаимодействием. При более осторожных формулировках "гены" определяли как некоторые неконкретизируемые ассоциаты атомов. Предполагали также, что "гены" - это кластеры, в простейшем случае подобные фрагментам кристаллов; в эмульсионных теориях носителями структурной информации считаются микрокапельки эмульсии, которая каким-то образом возникает при плавлении эвтектики.

Отметим, что "потеря памяти" жидкостью при нагреве до критической температуры идет по динамике фазового перехода, а не химической реакции, поэтому "генами" не могут быть молекулярные образования, наноструктуры. Интервал размытия Т для этих процессов гомогенизации эмульсий, ветвления политерм, "дезактивации" и др. мал, по порядку величины составляет 10¹ К, а не (100-1000)К, как у квазихимических процессов. Если связывать эти явления с какой-то химической реакцией, то для объяснения столь интенсивной температурной зависимости потребуется приписать ей аномально большой тепловой эффект.

Так, для превращения, соответствующего термовременной обработке стали или ветвлению политерм (см. рис 4.7), при критической температуре Т  Ткр  1650 ^oС достаточна выдержка 5 -15 минут [24, 25]; но уже при температуре на 30 градусов ниже не удаётся достигнуть перехода и при предельной по длительности выдержке, достигаемой в лаборатории.

Далее, микрокапелька, малый кластер, комплекс или ассоциат должны участвовать в интенсивном броуновском движении c большой скоростью; следовательно, они не могут сохранить, например, информацию об ориентации исходного монокристалла.

Более естественное объяснение получается, если принять, что жидкостью наследуются не "гены" и не зародыши кристаллизации, а вся зернистая структура поликристалла. Кроме того, в отличие от других постулируемых "генов", зерна жидкости сейчас уже не гипотетические образования; при определенных условиях их можно непосредственно наблюдать и фотографировать.

Причиной устойчивости зерен чистых компонентов в жидких эвтектиках можно считать кинетические затруднения, малую скорость процесса "квазирекристаллизации" в жидкости.

Обсуждаемые явления не удастся, очевидно, убедительно объяснить на уровне молекулярных наноструктур, квазихимических процессов, обычных химических взаимодействий. Эти явления относятся к надмолекулярным микроструктурам, связанным со стабилизирующими структуру эффектами типа Fст-сил. Это явления, относящиеся к зернистой структуре жидкости.

В твердых поликристаллах при высоких температурах наблюдаются процессы рекристаллизации, роста зерен, их слияния, и другие; они изучаются, в частности, в металловедении. Характерное время таких процессов около температуры плавления может иметь величину, например, порядка часа или суток. В результате расплавления происходит многократное уменьшение жесткости структуры и величин энергии активации, то есть процессы роста зерна облегчаются. Но, с другой стороны, многократно уменьшается также и движущая сила таких процессов, которая также пропорциональна жесткости структуры (пропорциональна величине поверхностного натяжения на границах зерен). Поэтому неудивительно, если характерное время роста зерна и в жидкости будет иметь величину порядка часа или суток. Следовательно, "надмолекулярная" зернистая структура действительно может длительное время сохранять "наследственную информацию" или "память" о внешних воздействиях на жидкость - например, о механических, тепловых, электрических, магнитных, ультразвуковых и других воздействиях, приводящих, в частности, к измельчению зерен в жидкости.

Может случиться, что расплав, подвергнутый какому-то воздействию полем или же перетекший в трубку, "озвученный", перемешанный, нагретый и др., не удастся экспериментально отличить от исходного. Однако эффект таких воздействий, не заметный в жидком состоянии, может наглядно проявиться в кинетике и результатах кристаллизации, подобно тому, как эффект воздействия света выявляется при проявлении фотопленки.

Объяснение "наследственности" с помощью сохраняющейся в жидкости зернистой структуры представляется достаточно ясным и конкретным; это позволяет сделать некоторые предсказания.

1. Если расплавить монокристаллический образец, заранее подогнанный по размеру тигля, чтобы минимизировать "потоковую обработку", то можно надеяться при обратной кристаллизации снова получить монокристалл той же ориентации (предохраняя систему от конвенкции и др.). В этом случае и жидкость будет, очевидно, "квазимонокристаллической" (или, по крайней мере, крупнозернистой). От такой жидкости можно надеяться получить лауэграмму с рефлексами, как от монокристалла, даже при использовании широкого пучка излучения, причем каждый рефлекс будет соответствовать одной из кристаллографических плоскостей исходного монокристалла соответственно его исходной ориентации в пространстве.

2. От расплава крупнозернистой эвтектики при аналогичных предосторожностях можно, видимо, получать два вида лауэграмм с рефлексами, как от монокристаллов двух чистых компонентов. Это очень наглядно подтвердило бы сохранение в эвтектике зерен обоих компонентов.

3. Если в качестве исходной шихты взять мелкие крупинки металлического стекла и быстро расплавить их, например, вбрасыванием в жидкий шлак, то можно уже плавлением получить почти бесструктурную жидкость, у которой вязкость и дифрактограмма будут соответствовать скорее ветви АВ политермы (см. рис. 4.7), а не ветви ДЕ . Можно, видимо, выявить зависимость вязкости от размера зерна шихты и даже от степени искажённости зернистой структуры, например, при ковке.