Фазовые переходы первого рода в контакте низкоплавких металлов (23.03.2009)

Автор: Саввин Владимир Соломонович

соответствует реальному эксперименту. В качестве примера на рисунке 11 сопоставляются кинетические множители для системы галлий-индий.

На рисунке 12 показано значение концентрации жидкости на границе с оловом в течении одного из опытов. В процессе имитации контактного плавления граничная концентрация принимает значения как стабильного, так и метастабильного ликвидусов при заданной температуре. В системе олово-висмут среднее значения относительной концентрации жидкости на границе с кристаллом при ?=1 составляет 0.620 долей олова при принятом значении стабильного ликвидуса равном 0.617. Таким образом, заключение, сделанное в главе IV, о том, что ликвидусные значения на межфазной границе обеспечиваются малым временем жизни метастабильных состояний, оправдывается в данной модели.

Рис. 12. Временная развертка состава жидкой фазы на границе с кристаллом в модельной системе Sn–Bi при 150оС. с – доля олова. cL и cL_m – доли, соответствующие стабильному и метастабильному ликвидусу

Успешное применение компьютерного моделирования к простым эвтектическим системам позволило построить модель плавления в системе с промежуточной твердой фазой, повторяющей в основных чертах диаграмму состояния системы висмут-индий. При этом учитывалась возможность образования метастабильных жидких растворов. Сохранение или распад метастабильных состояний определялся путем сравнения величины

с, сL1, cS? – доли компонента А в ячейке, соответствующие стабильному ликвидусу и метастабильному солидусу, ? – параметр, управляющий устойчивостью метастабильного состояния.

и средний по времени состав на указанной межфазной границе со стороны жидкости практически совпадает с ликвидусным значением стабильной диаграммы состояния (рис. 13).

Рис. 13. Временная развертка доли компонента А в жидкости на границе с образцом А при ?=18. cL1 – стабильный ликвидус, cL1m – метастабильный ликвидус

Таким образом, в результате компьютерной имитации контактного плавления в системе с промежуточной твердой фазой выяснено, что представления об образовании интерметаллидов в результате кристаллизации метастабильной части жидкой прослойки не противоречат выводам, сделанным на основе результатов измерения кинетических множителей в системе индий–висмут. При малой (?~1) и большой (?~100) устойчивости метастабильных состояний в компьютерном эксперименте выполняется параболический закон роста жидкой прослойки. В промежуточных случаях (например, при ?=20) наблюдается кусочно-линейная зависимость протяженности жидкой прослойки от корня из времени. При малой устойчивости метастабильных состояний граничные значения концентрации жидкой фазы соответствуют ликвидусу стабильной диаграммы состояния. Если метастабильные состояния достаточно устойчивы, то наблюдаются смещения граничных концентраций в жидкой прослойке в сторону метастабильного ликвидуса.

В заключении сформулированы основные из полученных результатов:

разработана методика оценки толщины межфазного слоя в контакте разнородных кристаллов. Слой между твердыми растворами при эвтектической температуре сохраняет конечные размеры, а контактирующие фазы сохраняют свою индивидуальность.;

рассмотрена диффузия чужеродных атомов из жидкой фазы в твердую. Показано, что в условиях перемещения межфазной границы в результате контактного плавления насыщения макроскопического объема в приповерхностном слое кристалла не происходит;

показана невозможность образования макроскопической промежуточной твердой фазы в процессе конкурентного роста с жидкой фазой;

исследована кинетика роста жидкой фазы в системах с промежуточными твердыми фазами. Установлено, что концентрационная протяженность жидкой фазы соответствует стабильной диаграмме состояния. Полученные результаты объяснены образованием на границе с кристаллами метастабильных участков жидкости, при кристаллизации которых выделяются стабильные интерметаллиды, обеспечивающие непрерывность химических потенциалов компонентов;

на примере системы олово–висмут исследована зависимость кинетики роста жидкой фазы от состава твердого раствора, являющегося одним из исходных кристаллов. Найдено, что концентрационный интервал жидкой фазы соответствует стабильной диаграмме состояния. С учетом отсутствия насыщения приповерхностных слоев кристалла такой результат объясняется образованием участков метастабильной жидкости, прилегающей к первичным кристаллам, и дальнейшей кристаллизацией метастабильных участков жидкости с выделением насыщенных твердых растворов, обеспечивающих квазиравновесный процесс роста жидкой фазы;

разработана оригинальная методика измерения температуры в контакте разнородных кристаллов при ?Т-эффекте контактного плавления, защищенная авторским свидетельством;

в системах с конгруэнтно и инконгруэнтно плавящимися промежуточными фазами измерена температура контакта образцов при ?Т-эффекте. Установлено, что наблюдается разогрев контакта на доли кельвина. Сравнение экспериментальных результатов с расчетами теплового источника позволило сформулировать гипотезу, согласно которой в системах с интерметаллидами при температурах ниже эвтектической в контакте исходных образцов одновременно растут метастабильная жидкая фаза и стабильный интерметаллид. Интерметаллид, в основном, образуется в результате кристаллизации метастабильной жидкости, причем в процессе совместного роста интерметаллид поставляет теплоту, способствующую росту метастабильной жидкой фазы;

осуществлено приведение в контакт образцов систем ртуть–таллий и ртуть–индий при температурах ниже температур плавления стабильных эвтектик. Наблюдалось прочное соединение кристаллов ртути и индия, что свидетельствует о протекании ?Т-эффекта. В системе ртуть–таллий ?Т-эффект не обнаружен. Отсутствие ?Т-эффекта в этой системе объяснено эндотермической реакцией образования промежуточной твердой фазы, что не создают условий роста метастабильной жидкой фазе;

разработана методика компьютерного эксперимента, базирующегося на идеологии целлюлярного равновесия – клеточных автоматов. Компьютерная имитация, основанная на работе клеточных автоматов, применена для исследования роста фаз при контактном плавлении. При разработке компьютерной модели учтена возможность возникновения метастабильных состояний в жидкости на границе с кристаллом. Методика апробирована путем сравнения результатов компьютерного и реального экспериментов для простых эвтектических систем;

проведен компьютерный эксперимент по исследованию процессов, происходящих в системе с промежуточной твердой фазой. Результаты показывают возможность процессов, предложенных для объяснения результатов реального эксперимента в этой системе, включающих образование стабильных промежуточных твердых фаз при распаде меатстабильной жидкости.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

Гиббс Дж.В. Термодинамика и статистическая механика. М.: Наука, 1982.

Guggenheim E.A. Thermodynamics. Amsterdam: North-Holland Publishing Co., 1967.

Хаазе Р. Термодинамика необратимых процессов. М.: Мир, 1967.

Canegallo S., Agrigento V., Moraitou C., Toussimi A., Bicelli L.P., Serr avalle G Indium diffusion inside InBi during and after electrodeposition at various temperatures // J. Alloys Comp. 1996. № 237. P. 211-217.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ПРЕДСТАВЛЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

Савинцев П.А., Ахкубеков А.А., Гетажеев К.А., Рогов В.И. Саввин В.С. Определение коэффициентов диффузии и коэффициентов активности в системе галлий-индий методом контактного плавления // Известия вузов. Физика. 1971. № 4. С. 53-57

Ахкубеков А.А., Саввин В.С., Савинцев П.А., Рогов В.И. Построение линий ликвидуса диаграмм состояния двойных систем методом контактного плавления // Заводская лаборатория. 1972. № 2. С. 208

Ахкубеков А.А., Рогов В.И., Саввин В.С., Савинцев П.А. Контактное плавление галлиевых систем // Смачиваемость и поверхностные свойства расплавов и твердых тел. Киев: Наукова думка, 1972. С. 121-123.

Савинцев П.А., Ахкубеков А.А., Рогов В.И., Саввин В.С., Теммукуев И.М., Гаврилов Н.И. Исследование взаимной диффузии в бинарных эвтектических расплавах методом контактного плавления // Уч. записки Кабардино-Балкарского гос. университета. Нальчик: КБГУ, 1972. С. 130-134.

Нальгиев А.Г.-М., Ибрагимов Х.И., Саввин В.С. Исследование поверхностного натяжения, плотности и работы выхода электрона системы олово-ртуть // Известия Северо-Кавказского научного центра высшей школы. Естественные науки. 1976. № 2. С. 36-38

Ибрагимов Х.И., Саввин В.С., Дадашев Р.Х.. Прибор для определения плотности жидких металлических растворов // Журнал физической химии. 1976. Т. 50. № 8. С. 2158-2159

Ибрагимов Х.И., Саввин В.С. Поверхностное натяжение и плотность расплавов ртуть-свинец // Известия вузов. Цветная металлургия. 1976. № 4. С. 148-149

Саввин В.С., Ибрагимов Х.И. Поверхностное натяжение жидких растворов висмут-свинец-ртуть // Известия Северо-Кавказского научного центра высшей школы. Естественные науки. 1976. № 3. С. 111-112

Саввин В.С., Ибрагимов Х.И. Исследование поверхностного натяжения и плотности жидких сплавов висмут-свинец-ртуть // Известия АН СССР. Металлы. 1977. № 1. С. 67-69

Саввин В.С., Ибрагимов Х.И. Поверхностные свойства расплавов висмут–свинец–ртуть // Физика поверхностных явлений. Ч. 1. Материалы VII Всесоюзной конференции по поверхностным явлениям в расплавах. Грозный: ЧИГУ, 1977. С. 172-184.

Ибрагимов Х.И., Саввин В.С. Приборы для совместного измерения плотности, поверхностного натяжения и работы выхода электрона жидких металлических растворов // Методы исследования и свойства границ раздела контактирующих фаз. Киев: Наукова думка, 1977. С. 40-46.

Ибрагимов Х.И., Саввин В.С. Расчет параметров поверхностного слоя однокомпонентных металлических расплавов // Физико-химические исследования металлургических процессов. Свердловск: УПИ, 1979. Вып. 7. С. 34-40.

Ибрагимов Х.И., Саввин В.С. Поверхностное натяжение расплавов системы таллий–ртуть // Физико-химические исследования металлургических процессов. Свердловск: УПИ, 1980. Вып. 8. С. 61-66.

Ибрагимов Х.И., Саввин В.С. Расчет характеристик поверхностного слоя растворов / / Поверхностные свойства расплавов. Киев: Наукова думка, 1982. С. 22-24.

Ибрагимов Х.И., Саввин В.С., Вигаев В.П. Поверхностное натяжение расплавов системы ртуть–кадмий / Чечено–Ингушский гос. ун–т им. Л.Н. Толстого. Грозный, 1983. Деп. в ВИНИТИ. № 998-84.


загрузка...