Введение к работе
Актуальность темы исследования. Отсутствие фундаментальной теории образования фаз в условиях, далеких от равновесия, повышает роль экспериментальных исследований метастабильных состояний при контактном плавлении металлов.
Исследования фазообразования и взаимодействия фаз имеют прикладное значение. Механические и коррозионные свойства конструкционных материалов в конечном итоге определяются фазовым составом и состоянием межфазных границ. При этом метастабильные состояния играют едва ли не основную роль в технических приложениях.
Одним из методов изучения процессов образования, роста и взаимодействия фаз является контактное плавление (КП) – образование и рост жидкой фазы в контакте двух разнородных веществ, при температуре ниже температуры плавления наиболее легкоплавкого из контактируемых кристаллов. К настоящему времени КП исследовалось в нестационарно-диффузионном и стационарно-диффузионном режимах, в режиме близком к кинетическому. Исследованы различные влияния на кинетику КП: воздействие давления, облучения, примесей, магнитного и электрического полей.
Однако некоторые направления КП исследованы недостаточно. Это относится, в частности, к исследованию метастабильных состояний, связанных с контактным плавлением. Даже по вопросу наблюдения таких явлений не существует сложившегося мнения. В связи с этим, разрабатываемая в предлагаемой работе тема представляется актуальной.
Целью работы является изучение роли метастабильных состояний, возникающих в двухкомпонентных металлических системах, находящихся в неравновесном контакте (доэвтектическое контактное плавление – ДКП). Для достижения указанной цели ставились следующие задачи:
- исследовать доэвтектическое контактное плавление в гетерогенных сплавах, компонентом которых является интерметаллид, находящийся между этими сплавами на диаграмме состояния;
- исследовать ДКП между образцами, образующими системы с инконгруэнтно плавящимися промежуточными твердыми фазами;
- для уточнения представлений о последовательности процессов, происходящих при ДКП, разработать методику измерения температуры в контакте исследуемых образцов и произвести соответствующие измерения в системах характеризуемых диаграммами состояния различного типа;
- сравнить результаты приведения в контакт, при температурах ниже эвтектических, образцов систем с противоположными знаками тепловых эффектов образования интерметаллидов;
- исследовать роль метастабильных состояний на границе кристалл-жидкость в системе индий – висмут с промежуточными твердыми фазами, при температуре выше стабильной эвтектики.
Научная новизна полученных результатов:
1. Разработана и защищена авторским свидетельством [3] методика исследования кинетики фазовых превращений и химических реакций между твердыми металлическими образцами, без использования внешней термопары (метод автотермоэдс).
2. Впервые, методом автотермоэдс, экспериментально произведены прямые измерения температуры контакта исследуемых на доэвтектическое контактное плавление образцов в системах: висмут – таллий, висмут – свинец, висмут – индий.
3. Установлено, что повышение температуры контакта образцов по сравнению с температурой термостата составляет десятые доли кельвина. Результаты измерений позволили сделать вывод о несостоятельности тепловой гипотезы доэвтектического контактного плавления. Этот вывод подтверждается и решением соответствующей тепловой задачи.
4. Впервые, на системе висмут-таллий исследовано доэвтектическое контактное плавление не только между гомогенными фазами, но и между гетерогенными сплавами, в состав которых входят интерметаллические фазы. Полученные результаты исследования подвергают сомнению гипотезу, основанную на временной задержке возникновения критического зародыша промежуточной твердой фазы.
5. Впервые исследовано доэвтектическое контактное плавление в ртутных системах: ртуть – таллий и ртуть – индий, образующих интерметаллиды при температурах ниже температур плавления легкоплавкой стабильной эвтектики: в системе ртуть-индий обнаружено ДКП в системе ртуть-таллий оно отсутствует. Дано объяснение наблюдаемым фактам
6. Установлено наличие доэвтектического контактного плавления в системе висмут – свинец. До сих пор в литературе не было прямых сообщений о наблюдении данного эффекта в системах, образующих только инконгруэнтно плавящиеся интерметаллиды. Более того, отрицалась сама возможность доэвтектического контактного плавления в таких системах.
7. Выдвинута гипотеза об одновременном росте стабильных интерметаллидов и метастабильной жидкости при наблюдении доэвтектического контактного плавления, подтвержденная экспериментально.
Достоверность полученных результатов обеспечена:
1. Использованием апробированных экспериментальных методов, соответствующих задачам исследования.
2. Корректной оценкой погрешностей измерений.
3. Единством экспериментальных результатов, их интерпретации и соответствующей этим результатам модели ДКП.
4. Непротиворечивостью предложенных решений известным положениям физики конденсированного состояния.
Практическая ценность работы. Разработанная методика автотермоэдс применяется для исследования кинетики фазовых превращений первого рода, происходящих между твердыми телами и измерения температуры контакта при доэвтектическом контактном плавлении.
Результаты исследований о природе состояния вещества на границе разнородных фаз могут быть использованы в металлургии, производстве полупроводниковых элементов, микроэлектронике, для усовершенствования технологии контактно-реактивной пайки в условиях жесткого ограничения по температурному режиму. Комплексные исследования метастабильных состояний при КП имеют практическое значение для развития планарного принципа микроминиатюризации в электронике с использованием исходного неравновесного состояния поверхности чистого вещества-подложки, для создания конструкционных материалов с заданными свойствами, так как механические и коррозионные свойства конструкционных материалов определяются фазовым составом и состоянием межфазных границ.
Перспективным направлением практического применения результатов исследований фазообразования на межфазных границах является разработка и совершенствование композиционных и наноматериалов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Методика исследования кинетики фазовых превращений и химических реакций, происходящих между твердыми металлическими образцами без использования внешней термопары (метод автотермоэдс).
2. Экспериментальные результаты измерения температуры контакта исследуемых образцов при доэвтектическом контактном плавлении в системах висмут – таллий, висмут – свинец, висмут – индий по методу автотермоэдс.
3. Экспериментальные результаты исследований доэвтектического контактного плавления между гетерогенными сплавами в системе висмут-таллий.
4. Результаты приведения в контакт образцов ртутных систем: ртуть – таллий и ртуть – индий при температурах ниже температур плавления стабильных эвтектик.
5. Гипотеза о последовательности процессов, происходящих в контакте разнородных массивных образцов, при доэвтектическом контактном плавлении, не противоречащая экспериментальным фактам.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: V Всесоюзном семинаре «Магнетизм редкоземельных сплавов» (г. Грозный, 1988); II Всесоюзном совещании «Метастабильные фазовые состояния-теплофизические свойства и кинетика релаксации» (г. Свердловск, 1989); II Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (г. Екатеринбург, 2003); ХI Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» (г. Челябинск, 2004); III Российской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (г. Екатеринбург, 2005); международной конференции «Фазовые переходы и критические явления в конденсированных средах» (г. Махачкала, 2005); Межрегиональном Пагуошском симпозиуме «Наука и высшая школа Чеченской Республики: перспективы развития межрегионального и международного научно-технического сотрудничества» (г. Грозный, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликованы девять статей, восемь тезисов и одно авторское свидетельство на изобретение.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 37 рисунков и 8 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 145 наименований.
