Статті

Критеріальне оцінювання фазового складу багатокомпонентних алюмінієвих бронз. (Частина 1. Критерії стійкості пересиченої мідної -матриці й фазового складу багатокомпонентних бронз системи Cu–Al–X)

• 
• 

Рейтинг користувача:  / 0

ГіршийКращий 

Деталі

Категорія: Зміст №4 2026

Останнє оновлення: 24 серпня 2026

Опубліковано: 30 листопада -0001

Перегляди: 1695

Authors:

Т. В. Кімстач, orcid.org/0000-0002-8993-201X, Український державний університет науки і технологій, м. Дніпро, Україна; Інститут чорної металургії імені З. І. Некрасова НАН України, м. Дніпро, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

К. І. Узлов, orcid.org/0000-0003-0744-9890, Український державний університет науки і технологій, м. Дніпро, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Г. Г. Швачич, orcid.org/0000-0002-9439-5511, Національний технічний університет «Дніпровська політехніка», м. Дніпро, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

О. П. Білий, orcid.org/0000-0003-1234-5404, Український державний університет науки і технологій, м. Дніпро, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

С. I. Реп’ях*, orcid.org/0000-0003-0203-4135, Український державний університет науки і технологій, м. Дніпро, Україна, e-mail:  Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

* Corresponding author e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

повний текст / full article

Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2026, (4): 053 - 067

https://doi.org/10.33271/nvngu/2026-4/053

Abstract:

Мета. Встановити термодинамічно обґрунтовані критерії оцінювання стійкості пересиченої мідної -матриці сплавів і прогнозування фазового складу багатокомпонентних бронз, що формуються в нерівноважних умовах кристалізації й охолодження.

Методика. Методика базується на поєднанні термодинамічного аналізу, структурно-параметричного підходу й узагальнення експериментальних даних. Стан мідної матриці оцінено за параметром  (відношення теоретично необхідного та фактичного вмісту Cu), термодинамічний аналіз виконано в рамках мінімізації енергії Гіббса з урахуванням малих відхилень і зв’язку активностей компонентів із . Структурно-механічні властивості оцінені за критерієм K_R.

Результати. Для оцінки умов збереження або втрати однофазного стану в багатокомпонентних бронзах запропоновано концентраційний параметр , що характеризує умови втрати нерівноважної стійкості твердого розчину в умовах лиття. Показано, що при   1 виникають умови для утворення вторинних фаз. Для оцінки структурно-механічних властивостей запропоновано критерій K_R. Показано, що спільне використання  й K_R забезпечує комплексний опис взаємозв’язку «склад – стабільність – структура – властивості» багатокомпонентних алюмінієвих бронз.

Наукова новизна. Уперше встановлена кількісно узгоджена система кореляційних взаємозв’язків між параметром пересичення , композиційним критерієм K_R і структурним параметром () – об’ємною часткою вторинних фаз у бронзах системи Cu–Al–Si–Mn–Sn, що утворюються в нерівноважних умовах затвердіння й подальшого охолодження у твердому стані та притаманні виливкам, що виготовляють із використанням ливарних піщаних і металевих форм.

Практична значимість. Використання запропонованих у роботі показника () і критерію (K_R) дозволить підвищити точність прогнозування фазового складу та властивостей бронз системи Cu–Al–Si–Mn–Sn при зміні концентрацій їх легуючих елементів. Це дасть змогу знизити витрати часу й ресурсів при розробці нових сплавів або оптимізації складу відомих марок бронз шляхом побудови регресійних і прогностичних моделей керування їх фазовим складом і властивостями. Розроблений параметр і критерій, підхід до створення нових сплавів та удосконалення існуючих сплавів, їх аналізу і т. ін.

Ключові слова: бронза, структура, параметр, критерій, термодинаміка, розчинність, алюміній, олово, фазовий склад

References.

1. Popov, S., Frolova, L., Rebrov, O., Naumenko, Y., Postupna, О., Zubko, V., & Shvets, P. (2022). Increasing the mechanical properties of structural cast iron for machine-building parts by combined Mn–Al alloying. EUREKA: Physics and Engineering, (1), 118-130. https://doi.org/10.21303/2461-4262.2022.002243

2. Barrenengoa, J., Loizaga, A., De la Fuente, E., Niklas, A., & Fernández-Calvo, A. I. (2010). Optimisation of the mechanical properties of AlSi₇Mg alloys cast in sand moulds. Revista de Metalurgia, 46(Extra), 64-70. https://doi.org/10.3989/revmetalmadrid.06xiipms

3. Selivorstov, V., Dotsenko, Y., & Borodianskiy, K. (2017). Influence of Low-Frequency Vibration and Modification on Solidification and Mechanical Properties of Al-Si Casting Alloy. Materials, 10(5), 560. https://doi.org/10.3390/ma10050560

4. Cardoso-Legorreta, E., Arenas Flores, A., & García, F. L. (2014). Effect of Mechanical Vibration during the Solidification Process of an Aluminium Alloy A356. Advanced Materials Research, 976, 14-18. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.976.14

5. Dotsenko, G. V., & Selyverstov, V. Yu. (2012). Features of solidification casting of aluminum alloys with increasing pressure and modification. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(5(55)), 18-22. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2012.3378

6. Laws, K. J., Crosby, C., Sridhar, A., Conway, P., Koloadin, L. S., Zhao, M., Aron-Dine, S., & Bassman, L. C. (2015). High entropy brasses and bronzes – Microstructure, phase evolution and properties. Journal of Alloys and Compounds, 650, 949-961. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.07.285

7. Guo, S., & Liu, C. T. (2011). Phase stability in high entropy alloys: Formation of solid-solution phase or amorphous phase. Progress in Natural Science: Materials International, 21(6), 433-446. https://doi.org/10.1016/s1002-0071(12)60080-x

8. Gudivada, G., & Pandey, A. K. (2023). Recent developments in nickel-based superalloys for gas turbine applications: Review. Journal of Alloys and Compounds, 171128. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.171128

9. Wee, S., Kim, K., Park, K., & Seok, C. (2021). Study on Creep Damage of Ni-Based Superalloy Caused by Variable Load Conditions at Elevated Temperatures. Materials, 14(22), 6971. https://doi.org/10.3390/ma14226971

10.      Deshmukh, A. A., & Ranganathan, R. (2024). Recent advances in modelling structure-property correlations in high-entropy alloys. Journal of Materials Science & Technology. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.03.027

11.      Okamoto, H., Schlesinger, M. E., & Mueller, E. M. (Eds.). (2016). Alloy Phase Diagrams. ASM International. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v03.9781627081634

12.      Mizutani, U. (2012). Hume-Rothery rules for structurally complex alloy phases. MRS Bulletin, 37(2), 169. https://doi.org/10.1557/mrs.2012.45

13.      Zhang, Y., Mao, Z., Han, Q., Li, Y., Li, M., Du, S., Chai, Z., & Huang, Q. (2020). The role of Hume-Rothery’s rules play in the MAX phases formability. Materialia, 12, 100810. https://doi.org/10.1016/
j.mtla.2020.100810

14.      Poletti, M. G., & Battezzati, L. (2014). Electronic and thermodynamic criteria for the occurrence of high entropy alloys in metallic systems. Acta Materialia, 75, 297-306. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.04.033

15.      Mizutani, U., & Sato, H. (2017). The Physics of the Hume-Rothery Electron Coогncentration Rule. Crystals, 7(1), 9. https://doi.org/10.3390/cryst7010009

16.      He, Q. F., Ye, Y. F., & Yang, Y. (2017). Formation of Random Solid Solution in Multicomponent Alloys: from Hume-Rothery Rules to Entropic Stabilization. Journal of Phase Equilibria and Diffusion, 38(4), 416-425. https://doi.org/10.1007/s11669-017-0560-9

17.      Ji, X. (2015). Relative effect of electronegativity on formation of high entropy alloys. International Journal of Cast Metals Research, 28(4), 229-233. https://doi.org/10.1179/1743133615y.0000000004

18.      Mizutani, U., Inukai, M., & Sato, H. (2010). Hume-Rothery stabilisation mechanism and d-states-mediated Fermi surface–Brillouin zone interactions in structurally complex metallic alloys. Philosophical Magazine, 91(19-21), 2536-2542. https://doi.org/10.1080/14786435.2010.508758

19.      Wu, H. (2022). A review on the Cahn–Hilliard equation: Classical results and recent advances in dynamic boundary conditions. Electronic Research Archive, 30(6), 2204-2229. https://doi.org/10.3934/era.2022143

20.      Zhou, J., Zhong, J., Chen, L., Zhang, L., Du, Y., Liu, Z.-K., & Mayrhofer, P. H. (2017). Phase equilibria, thermodynamics and microstructure simulation of metastable spinodal decomposition in c–Ti1−xAl_xN coatings. Calphad, 56, 92-101. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2016.12.006

21.      Takeuchi, A., & Inoue, A. (2010). Mixing enthalpy of liquid phase calculated by miedema’s scheme and approximated with sub-regular solution model for assessing forming ability of amorphous and glassy alloys. Intermetallics, 18(9), 1779-1789. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2010.06.003

22.      Kattner, U. R. (2016). The CALPHAD method and its role in material and process development. Tecnologia em Metalurgia Materiais e Mineração, 13(1), 3-15. https://doi.org/10.4322/2176-1523.1059

23.      Gorsse, S., & Senkov, O. (2018). About the Reliability of ­CALPHAD Predictions in Multicomponent Systems. Entropy, 20(12), 899. https://doi.org/10.3390/e20120899

24.      Tolborg, K., Klarbring, J., Ganose, A. M., & Walsh, A. (2022). Free energy predictions for crystal stability and synthesisability. Digital Discovery, 1(5), 586-595. https://doi.org/10.1039/d2dd00050d

25.      Iranshahr, A., Voskov, D. V., & Tchelepi, H. A. (2012). Gibbs energy analysis: Compositional tie-simplex space. Fluid Phase Equilibria, 321, 49-58. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2012.02.001

26.      Sasidhar, K. N., & Meka, S. R. (2018). Spinodal decomposition during isothermal gas-solid equilibration – Its effects and implications. Acta Materialia, 161, 266-272. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.09.039

27.      Zhou, X., Darvishi Kamachali, R., Boyce, B. L., Clark, B. G., Raabe, D., & Thompson, G. B. (2021). Spinodal Decomposition in Nanocrystalline Alloys. Acta Materialia, 215, 117054. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117054

28.      Kim, B., Sietsma, J., & Santofimia, M. J. (2019). Theoretical Aspects of Spinodal Decomposition in Fe-C. Metallurgical and Materials Transactions A, 50(3), 1175-1184. https://doi.org/10.1007/s11661-018-5094-1

29.      Rudraraju, S., Van der Ven, A., & Garikipati, K. (2016). Mechanochemical spinodal decomposition: a phenomenological theory of phase transformations in multi-component, crystalline solids. Computational Materials, 2(1). https://doi.org/10.1038/npjcompumats.2016.12

30.      Miracle, D. B., & Senkov, O. N. (2017). A critical review of high entropy alloys and related concepts. Acta Materialia, 122, 448-511. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.08.081

31.      Troparevsky, M. C., Morris, J. R., Kent, P. R. C., Lupini, A. R., & Stocks, G. M. (2015). Criteria for Predicting the Formation of Single-Phase High-Entropy Alloys. Physical Review X, 5(1). https://doi.org/10.1103/physrevx.5.011041

32.      Yang, Y.-F., Hu, F., Xia, T., Li, R.-H., Bai, J.-Y., Zhu, J.-Q., Xu, J.-Y., & Zhang, G.-F. (2024). High entropy alloys: a review of preparation techniques, properties and industry applications. Journal of Alloys and Compounds, 177691. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.177691

33.      Guo, Q., Xu, X., Pei, X., Duan, Z., Liaw, P. K., Hou, H., & Zhao, Y. (2022). Predict the phase formation of high-entropy alloys by compositions. Journal of Materials Research and Technology. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.12.143

34.      Peivaste, I., Jossou, E., & Tiamiyu, A. A. (2023). Data-driven analysis and prediction of stable phases for high-entropy alloy design. Scientific Reports, 13(1). https://doi.org/10.1038/s41598-023-50044-0

35.      Morral, J. E., & Chen, S. (2021). Stability of High Entropy Alloys to Spinodal Decomposition. Journal of Phase Equilibria and Diffusion. https://doi.org/10.1007/s11669-021-00915-8

36.      Hart, G. L.W., Mueller, T., Toher, C., & Curtarolo, S. (2021). Machine learning for alloys. Nature Reviews Materials, 6(8), 730-755. https://doi.org/10.1038/s41578-021-00340-w

37.      Hu, M., Tan, Q., Knibbe, R., Xu, M., Jiang, B., Wang, S., Li, X., & Zhang, M.-X. (2023). Recent applications of machine learning in alloy design: A review. Materials Science and Engineering: R: Reports, 155, 100746. https://doi.org/10.1016/j.mser.2023.100746

38.      Yi Wang, W., Li, J., Liu, W., & Liu, Z.-K. (2019). Integrated computational materials engineering for advanced materials: A brief review. Computational Materials Science, 158, 42-48. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2018.11.001

39.      Vecchio, K. S., Dippo, O. F., Kaufmann, K. R., & Liu, X. (2021). High-throughput rapid experimental alloy development (HT-READ). Acta Materialia, 221, 117352. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117352

40.      Ma, D., Friák, M., Pezold, J.V., Raabe, D., & Neugebauer, J. (2013). Ab initioidentified design principles of solid-solution strengthening in Al. Science and Technology of Advanced Materials, 14(2), 025001. https://doi.org/10.1088/1468-6996/14/2/025001

41.      Fu, H., Zhang, H., Wang, C., Yong, W., & Xie, J. (2022). Recent progress in the machine learning-assisted rational design of alloys. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 29(4), 635-644. https://doi.org/10.1007/s12613-022-2458-8

42.      Chen, B. (2025). A Comprehensive Review of θ-Series Precipitates in Aluminum Alloys. Materials, 18(23), 5406. https://doi.org/10.3390/ma18235406

43.      Chen, H., Sun, J., Yang, S., Zhang, Y., Tang, K., Zhang, C., Lu, Y., Luo, Q., & Li, Q. (2025). Thermodynamics and kinetics of isothermal precipitation in magnesium alloys. Materials Genome Engineering Advances. https://doi.org/10.1002/mgea.86

44.      Fallah, V., Ofori-Opoku, N., Stolle, J., Provatas, N., & Esmaeili, S. (2013). Simulation of early-stage clustering in ternary metal alloys using the phase-field crystal method. Acta Materialia, 61(10), 3653-3666. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.02.053

45.      Xu, X., Lv, Y., Hu, M., Xiong, D., Zhang, L., Wang, L., & Lu, W. (2016). Influence of second phases on fatigue crack growth behavior of nickel aluminum bronze. International Journal of Fatigue, 82, 579-587. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2015.09.014

46.      Porter, D. A., Easterling, K. E., & Sherif, M. Y. (2021). Phase Transformations in Metals and Alloys. Taylor & Francis Group. https://doi.org/10.1201/9781003011804

47.      Hillert, M. (2012). Phase Equilibria, Phase Diagrams and Phase Transformations: Their Thermodynamic Basis. Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/CBO9780511812781

48.      Chen, L.-Q. (2019). Chemical potential and Gibbs free energy. MRS Bulletin, 44(7), 520-523. https://doi.org/10.1557/mrs.2019.162

49.      Tajčmanová, L., Podladchikov, Y., Moulas, E., & Khakimova, L. (2021). The choice of a thermodynamic formulation dramatically affects modelled chemical zoning in minerals. Scientific Reports, 11(1). https://doi.org/10.1038/s41598-021-97568-x

50.      Kimstach, T. V., Uzlov, K. I., Bilyi, O. P., & Repyakh, S. I. (2026). Mechanical properties and structure of Cu-Al-Si-Sn-Mn system non-magnetic cast bronzes. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (1), 58-67. https://doi.org/10.33271/nvngu/2026-1/058

51.      Nai, X., Zhao, S., Wang, P., Chen, H., Wang, P., Song, X., Vairis, A., & Li, W. (2024). Solid-state transformation composite filler: A new strategy to strengthen ceramic/metal joint. Materials & Design, 243, 113040. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.113040

52.      Sun, X., Jie, J., Wang, T., & Li, T. (2020). Precipitate phase transformation behavior, microstructure, and properties of Cu–Cr–Co–Si alloy. Journal of Materials Research, 35(6), 623-632. https://doi.org/10.1557/jmr.2020.31

53.      Kumar, S., Grant, P. S., & O’Reilly, K. A. Q. (2016a). Evolution of Fe Bearing Intermetallics During DC Casting and Homogenization of an Al-Mg-Si Al Alloy. Metallurgical and Materials Transactions A, 47(6), 3000-3014. https://doi.org/10.1007/s11661-016-3451-5

54.      Asghar, Z., Requena, G., & Boller, E. (2011). Three-dimensional rigid multiphase networks providing high-temperature strength to cast AlSi₁₀Cu₅Ni_1-2 piston alloys. Acta Materialia, 59(16), 6420-6432. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2011.07.006

55.      Bugelnig, K., Germann, H., Steffens, T., Sket, F., Adrien, J., Maire, E., Boller, E., & Requena, G. (2018). Revealing the Effect of Local Connectivity of Rigid Phases during Deformation at High Temperature of Cast AlSi12Cu4Ni(2,3)Mg Alloys. Materials, 11(8), 1300. https://doi.org/10.3390/ma11081300

56.      Wang, C. Y., Cepeda-Jiménez, C. M., & Pérez-Prado, M. T. (2020). Dislocation-particle interactions in magnesium alloys. Acta Materialia, 194, 190-206. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.04.055

57.      Monnet, G., Naamane, S., & Devincre, B. (2011). Orowan strengthening at low temperatures in bcc materials studied by dislocation dynamics simulations. Acta Materialia, 59(2), 451-461. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.09.039

• < Попередня
• Наступна >