Введение к работе
Актуальность темы
Проблеме взаимодействия твердой и жидкой металлических фаз посвящено несколько десятков теоретических и экспериментальных работ. Однако было бы преждевременным считать, что имеется четкая картина процессов, происходящих при таком взаимодействии. Между тем, знание термодинамики и кинетики процесса очень важно во всех случаях контакта твердого материала с жидкой фазой: при анализе долговечности систем охлаждения ядерных реакторов, в которых в качестве теплоносителя используются расплавы металлов, в процессах быстрого («катастрофического») окисления и высокотемпературной сверхпластичности, жидкофазного спекания и так далее.
Опыт показывает, что слабым звеном, часто приводящим к разрушению деталей и конструкций, работающих в контакте с расплавом, являются границы зерен (ГЗ), вдоль которых могут образовываться глубокие каналы жидкой фазы.
Поскольку большинство металлических материалов, применяемых в технике, имеют поликристаллическую структуру, то особенно много вопросов возникает при анализе результатов исследований жидкометаллического травления (ЖМТ) твердых металлических поликристаллов. Обычно при этом ограничиваются рассмотрением образования канавок ЖМТ по ГЗ и не учитывают возможность проникновения жидкой фазы вдоль тройных стыков зерен (ТС). В то время как ЖМТ границ зерен давно и серьезно изучается, ТС лишь в последнее время стали осознаваться как особые линейные дефекты, по которым также возможно глубокое проникновение жидкой фазы при контакте с расплавами металлов. Как правило, весь процесс взаимодействия при ЖМТ происходит по межфазной поверхности жидкость - твердый поликристаллический металл (Ж-Т). Количество ТС, выходящих на эту поверхность, при небольшом среднем размере зерна твердого металла, особенно в наноматериалах, может оказаться весьма значительным. Поэтому возникает вопрос, насколько серьезный вклад могут вносить в ЖМТ тройные стыки и как это учитывать?
На сегодняшний день неясно, на какие глубины проникает жидкая фаза по ТС, какова скорость такого проникновения, каков кинетический закон процесса ЖМТ тройных стыков? Отсутствуют данные о влиянии температуры на глубину и скорость проникновения по ТС. Нет модельного описания, которое давало бы представление о том, как проникает расплав по системе ТС и прилегающим к нему ГЗ.
Цель работы
Экспериментальное и теоретическое исследование процессов ЖМТ тройных стыков зерен в системе Cu-Bi, включающее в себя: определение глубин проникновения жидкой фазы по ТС; определение влияния температуры и времени на глубину проникновения по ТС; разработку модели проникновения жидкой фазы по ТС и сопоставление ее с результатами эксперимента; определение роли и вклада ТС зерен в картину взаимодействия поликристаллического образца с расплавом.
Для достижения поставленных целей потребовалось:
разработать соответствующую экспериментальную методику;
получить экспериментальные данные о глубинах проникновения расплава по ТС при различных температурных и временных режимах выдержки твердого поликристаллического металла в расплаве;
провести сопоставление характеристик проникновения расплава (глубины проникновения, Тсм - температуры смачивания) для ТС и ГЗ в одинаковых условиях;
разработать модель проникновения жидкой фазы по ТС и образующим их ГЗ и показать роль ТС в общем процессе ЖМТ поликристаллических металлов.
Научная новизна
Впервые экспериментально изучен процесс ЖМТ тройных стыков зерен. Показано, что ТС стимулируют проникновение жидкой фазы по ГЗ и ускоряют распространение расплава жидкого металла вглубь поликристаллического образца.
Разработана новая методика исследования эффекта ЖМТ тройных стыков зерен в поликристалле - методика «малоуглового» шлифа.
Для системы Cu-Bi впервые экспериментально получены следующие закономерности процессов смачивания ТС зерен:
установлено, что при одинаковых условиях обработки (температуры и времени выдержки) проникновение расплава по ТС происходит на большую глубину, чем по ГЗ;
установлено, что полное смачивание ТС расплавом происходит при более низких температурах, чем полное смачивание ГЗ; определены температурные границы области перехода от неполного смачивания к полному смачиванию ТС;
показано, что с ростом температуры эксперимента глубина проникновения по ТС возрастает;
- получена зависимость глубины проникновения жидкой фазы по ТС от времени для
заданной температуры опыта;
- ширина канала по ТС слабо зависит от времени проникновения расплава.
Рассмотрена термодинамическая модель образования жидкометаллической канавки по ТС зерен и теоретически определены условия полного смачивания ТС.
Рассмотрена модель, описывающая законы распространения жидкой фазы по ТС в зависимости от времени, в различных температурных областях.
Дана оценка глубины проникновения жидкой фазы по ГЗ и ТС в зависимости от среднего размера зерна в образце.
6. Предложен механизм опережающего распространения жидкой фазы по ТС в
поликристалле, с уходом жидкой фазы из ТС в ГЗ.
Основные научные положения, выносимые на защиту
Разработана экспериментальная методика «малоуглового» шлифа, позволяющая одновременно наблюдать эффект ЖМТ тройных стыков и границ зерен.
Для системы Cu-Bi экспериментально установлено, что:
при одинаковых условиях обработки жидкая фаза проникает по ТС на порядок глубже, чем по ГЗ;
с ростом температуры эксперимента (450-550С) глубина проникновения по ТС возрастает;
- ширина канала по ТС практически не зависит от времени проникновения.
Экспериментально определена доля заполненных расплавом ТС и ГЗ в зависимости от расстояния до межфазной поверхности для различных режимов обработки.
Для температуры 500С экспериментально определен кинетический закон зависимости
1/7
глубины (И) распространения жидкой фазы по ТС от времени h ~ t
Экспериментально определены температурные границы области перехода от неполного смачивания к полному смачиванию ТС. Для системы Cu-Bi - это 450-500С.
Рассмотрена термодинамическая модель развития жидкометаллической канавки по ТС зерен, из которой следует, что смачивание ТС наступает при более низких температурах, чем смачивание ГЗ. Теоретическая оценка температуры смачивания ТС Тсм(тс) для системы Cu-Bi дает значение в интервале ~ 460-510С, что близко к экспериментально полученным данным.
Определена глубина проникновения жидкой фазы по ТС и ГЗ в зависимости от режимов обработки. На основе полученных данных предложен механизм распространения жидкой фазы по ТС, с последующим оттоком жидкой фазы в ГЗ.
Разработаны кинетические модели проникновения жидкой фазы по ТС, лимитируемого диффузией через расплав. Теоретически полученный закон роста глубины канала по ТС (для температуры 500С) совпадает с экспериментально полученным законом.
Практическая значимость работы
Данные, полученные в работе, позволяют оценить глубину проникновения расплава по ТС зерен в различных температурных областях для различных металлических систем, что дает возможность прогнозировать работу поликристаллических конструкций в жидкометаллической среде. Результаты работы могут быть использованы в лекциях по спецкурсу «Межкристаллитные границы», а также в лабораторных работах по курсу «Физико-химические измерения» для студентов, которые обучаются по специальностям 0708 «Физико-химические исследования материалов и процессов», 0709 «Физика металлов» и направлению 110700 «Физика».
Апробация работы
Международная конференция «Interfaces in Advanced Materials» (Черноголовка, 2003).
Международная конференция «7 Russian-Chinese Symposium: New Materials and
Technologies» (Агой, Краснодарский край, 2003).
Международная конференция «Диффузия и фазовые превращения в сплавах»
«Сокирне-04» (Черкассы, 2004).
Международная конференция «Диффузия в материалах» (Краков, Dimat 2004).
Международная конференция «Junior Euromat 2006» (Лозанна, 2006).
Международная конференция «Диффузия и фазовые превращения в сплавах»
«Diftrans-2007» (Умань, Украина, 2007).
Структура и объем диссертации
