Geum.ru

Влияние электромагнитных полей на фазовый состав и структуру жидко-твердых сплавов с различной проводимостью твердых включений 01. 04. 07 физика конденсированного состояния

Вид материалаАвтореферат диссертации

Содержание


Cистема In-Ni
Система Bi-Cd
Основные результаты и выводы
Подобный материал:
1   2

Cистема In-Ge

Для исследования фазообразования в жидко-твердых сплавах с участием твердых включений с полупроводниковым типом проводимости была выбрана система In-Ge. Она имеет диаграмму состояния эвтектического типа с вырожденной эвтектикой. Плотности чистых компонентов при нормальных условиях: ρIn = 7300 кг/м3, ρGe = 5320 кг/м3. Удельные электропроводности – σIn = 11500 кСм/м, σGe = 1,47 кСм/м. Средний размер частиц германия
150-300 мкм. Эксперименты проводились при температуре T = 473 К.

На рис. 9 представлены фото шлифов исследованного сплава.




а)
б)
в)

Рис. 9. Структуры сплава In + 1 % Ge:

Tопыта = 473К, а) j = 0, б) и в) j = 106 A/м2

Как видно из рис. 9 (а), все частицы сконцентрировались в верхней части образца. Очевидно, это произошло в связи с тем, что плотность германия меньше плотность окружающего его жидкого индия.

В случае, когда через образцы пропускался постоянный электрический ток, картина меняется. Часть частиц германия с σGe << σIn под действием возникающих сил переносится перпендикулярно оси на периферию образца (рис. 10). Результаты нашего эксперимента согласуются с литературными данными [7].

Оценка силы, действующей на частицу германия размером 10-4 м по формуле (1) показывает, что порядка 3.1·10-7 Н.
Рис. 10. Фото образца In + 1 % Ge;

j = 106 A/м2


Cистема In-Ni

Для исследования влияния ПЭТ и внешнего магнитного поля на фазообразование в жидко-твердых сплавах с участием ферромагнитных твердых включений была выбрана система In-Ni.

Система In-Ni имеет диаграмму состояния с вырожденной эвтектикой (Tэвт на 0,6 0 ниже Tпл индия). Плотности чистых компонентов при нормальных условиях: ρIn = 7300 кг/м3, ρNi = 8963 кг/м3. Удельные электропроводности – σIn = 11500 кСм/м, σNi = 13300 кСм/м.

Эксперименты проводились при температуре 473 К, что ниже точки Кюри для никеля.

На рис. 11 (а) приведены фото структуры сплава In+ 1 % Ni при j=0. Бόльшая часть частиц никеля, окруженных жидким индием, под действием силы тяжести сконцентрировалась в нижней части образца.

При пропускании через образцы ПЭТ картина меняется (рис. 11 (б, в)).

В случае, когда направление силы тяжести и направление тока противоположны (рис. 11 (б)) твердые частицы никеля сконцентрированы более плотно у нижнего электрода (ср. с рис 11 (а)). При обратном направлении тока – частицы располагаются в образце неупорядочено: большая часть находится около нижнего электрода, однако в верхней части образца также содержится некоторое количество никеля.

На наш взгляд, в сплаве In + 1 % Ni эффективный заряд никеля Z*Ni < 0, а эффективный заряд индия Z*In < 0.

На рис. 11 (г, д) представлены фото структур сплава In + 1 % Ni после изотермической обработки в магнитном поле соленоида (2,8 мТл). Размеры соленоида гораздо больше диаметра его витков, поэтому можно считать магнитное поле внутри соленоида однородным.








а)
б)
в)
г)
д)

Рис. 11. Структуры сплава In+ 1 % Ni:

Tопыта=473 К, а) j = 0, б) и в) j=106 A/м2


Из рис. 11 (г) видно, что внешнее магнитное поле ускоряет процесс седиментации частиц никеля. Они сконцентрировались у нижнего электрода (вектор направлен вниз). В том случае, когда вектор направлен вверх, магнитное поле препятствует седиментации никеля в образце, однако напряженность этого поля, видимо, недостаточна, чтобы полностью нивелировать действие силы тяжести.

Далее в работе были рассмотрены варианты совместного действия ПЭТ и внешнего магнитного поля. Структуры полученных сплавов приведены на рис. 12.

Характерным для всех вариантов эксперимента является то, что частицы никеля сконцентрированы в нижней части образца.






а)
б)
в)
г)

Рис. 12. Структуры сплава In + 1 % Ni:

Tопыта = 473К, а) j = 0, б) и в) j = 106 A/м2

На рис. 12 (а) представлено фото образца, когда на него действует ПЭТ, направленный против силы тяжести; вектор магнитной индукции с ней сонаправлен. Сравнивая рис. 12 (а) и 11 (б), видно, что магнитное поле, направленное таким образом усиливает действие ПЭТ на частицы никеля. А в случае, когда ПЭТ сонаправлен с силой тяжести, а магнитная индукция направлена против, частицы никеля располагаются у нижнего электрода неплотно, по сравнению с рис. 12 (а).

На рис. 12 (в, г) представлены фото образцов после экспериментов, когда ПЭТ и вектор B сонаправлены. Сравнивая рис. 12 (в) и 12 (г), видно, что в последнем случае частицы никеля расположены у нижнего электрода менее плотно.

Вероятно влияние ПЭТ сильнее, чем магнитного поля, т.к. проанализировав все варианты экспериментов, можно сделать вывод, что ПЭТ способствует перемещению частиц никеля в направлении анода; внешнее магнитное поле, взаимодействуя с собственным магнитным полем частиц, направляет их вдоль линий вектора B.

Таким образом, проведенные впервые исследования влияния ПЭТ и внешнего магнитного поля на микроструктуру жидко-твердых сплавов In-Ni показали, что на ферромагнитные частицы заметное воздействие оказывают оба внешних фактора.

В третьей главе представлены результаты исследования сплава
Bi + 44 ат. % Cd электронно-зондовым микроанализом (ЭЗМА), сплавов
Bi + 44 ат. % Cd и Bi + 43 ат. % Sn методом рентгеновской дифрактометрии, а также результаты измерения микротвердости сплава Bi+44 ат. % Cd.


Результаты исследования сплава Bi+44 ат. % Cd методом ЭЗМА

Электронно-зондовый микроанализ проводились на базе НИИ физики ЮФУ.

Концентрационное распределение находилось путем усреднения интенсивности характеристического излучения при пошаговым сканированием вдоль всего образца. Сканирование производилось развернутым зондом: каждой анализируемой точке соответствовала область на поверхности сплава ~ 0,1х1 мм2, в глубину ~ 0.001 мм. Усредненные распределения дали возможность выявить макронеоднородности образца. По всем трем образцам наблюдалось разделение на две макрообласти. Количество фаз, попадавших в область отбора информации в токовых образцах, оказалось значительным, что свидетельствовало об удачном усреднении.

Сканограммы, полученные на сплавах Bi + 44 ат. % Cd показали, что в образцах, через которые пропускался ПЭТ, на положительном электроде кристаллизуется твердый раствор (~1–2 % Cd) на основе висмута (интенсивность линии CdLα начиная с определенного момента минимальна) (рис. 13).



Рис. 13. Распределение интенсивностей BiLα и CdLα

рентгеновского излучения вдоль всего образца Bi + 44 % Cd (рис. 4 (г))


Очищенная зона образца представляет собой сплав из кристаллитов висмута и кадмия размерами порядка 1 мкм.


Результаты исследования поверхности сплавов методом рентгеновской дифрактометрии


Исследования поверхности сплавов Bi + 44ат. % Cd и Bi + 43 % Sn методом рентгеновской дифрактометрии проводились на базе физического факультета ЮФУ.

Для структурной характеризации анализируемых образцов использовался дифрактометр ДРОН-3М (U = 35 kV, I = 25 mA), согласованный с управляющим и считывающим компьютером, что позволяло вести регистрацию дифракционной картины рассеяния рентгеновских лучей в режиме согласованного по методу θ–2θ шагового сканирования образца и детектора.

В эксперименте использовалось характеристическое рентгеновское излучение трубки с медным анодом (CuKα), линия Kβ подавлялась никелевым фильтром. Все полученные в дискретном режиме профили обрабатывались с помощью компьютерной программы Powder Cell, версия 2.4. Критерием правильности созданной модели структуры являлась вычисленная порошковая дифрактограмма.


Система Bi-Cd

Исследования структуры жидко-твердых сплавов, методом рентгеновской дифрактометрии проводились впервые. Параметры решетки определялись в двух областях образца: в прианодной области на конгломерате висмута, а также в очищенной от включений области.

Рентгенограммы, снятые с образцов Bi + 44 ат. % Cd всех вариантов опыта, показали, что в чистом виде монокристаллов не обнаружено.

В бестоковом образце не обнаружено текстурных эффектов ни для висмута, ни для кадмия. В табл. 1 приведены параметры элементарных ячеек висмута и кадмия бестокового образца.

Таблица 1

Параметры ячеек висмута и кадмия в бестоковом образце Bi + 44 % Cd.

Погрешность определения параметров ячейки ± 0,003 Å
Bi а
Bi c
Cd a
Cd c

Параметры ячейки, Å
4.540
11.844
2.976
5.609

Объем ячейки, Å3
211.45
43.02


В табл. 2, 3 приведены параметры ячеек висмута и кадмия сплава Bi + 44 ат. % Cd (j = 5 · 105А/м2) для «очищенной» и прианодной областей.

Таблица 2

Параметры ячеек висмута и кадмия образца Bi + 44 % Cd (катод сверху)
Конгломерат Bi
Очищенная область

Bi a
Bi с
Cd a
Cd c
Bi a
Bi с
Cd a
Cd c

Параметры

ячейки, Å
4.544
11.838
2.974
5.611
4.548
11.865
2.979
5.618

Объем

ячейки, Å3
211.76
42.99
212.60
43.19


Таблица 3

Параметры ячеек висмута и кадмия образца Bi + 44 % Cd (анод сверху)
Конгломерат Bi
Очищенная область

Bi a
Bi с
Cd a
Cd c
Bi a
Bi с
Cd a
Cd c

Параметры

ячейки, Å
4.534
11.831
2.979
5.593
4.535
11.829
2.973
5.603

Объем

ячейки, Å3
210.65
43.00
210.70
42.89


В области конгломерата висмута наблюдалась ярко выраженное текстурирование образца в виде пластин с ориентацией (001), в отличие от очищенной области. На наш взгляд, это результат кристаллизации сплава при наличии ПЭТ.

Также имеет место изменение параметров ячеек, связанное со структурными эффектами – заменой части атомов металла – матрицы атомами диффундирующей примеси. Объем ячеек меняется в соответствии с правилом Вегарда для твердых растворов металлов.

Таким образом, проведенные рентгеноструктурные исследования жидко-твердых сплавов систем Bi-Cd показали, что, при пропускании через образцы постоянного электрического тока, происходит изменение параметров ячеек. Причиной изменения может служить появление твердых растворов. Согласно правилу Вегарда, если внедряемый атом имеет больший радиус, то идет увеличение объема, если внедряемый атом имеет меньший радиус, происходит уменьшение объема ячейки.

Результаты измерения микротвердости в сплавах системы Bi-Cd

Измерения микротвердости сплавов системы Bi-Cd проводились при нагрузке 10-15 г и времени выдержки 20 с.

Результаты измерения микротвердости в сплавах Bi + 44 % Cd, Bi + 50 % Cd: обогащенных висмутом, Bi + 55 % Cd: эвтектический, Bi + 61 % Cd: обогащенный кадмием.

Таблица 7

Средние значения микротвердости образцов Bi–Cd


Hμ , МПа
Bi + 44 % Cd
Bi + 50 % Cd
Bi + 55 % Cd
Bi + 61 % Cd

0
(+)
(–)
0
(+)
(–)
0
(+)
(–)
0
(+)
(–)

Част. Bi
119
121
118
114
117
117
–
109
105
–
–
–

Част. Cd
–
–
–
–
–
–
–
260
255
305
297
299

Матрица
179
189
185
190
185
183
183
188
193
151
153
153


Как видно из табл. 7, ПЭТ в каждом случае незначительно влияет на значение Hμ структурных составляющих сплавов.

Это говорит о том, что состав фаз вдоль сплава практически не меняется. Это подтверждают исследования структурных составляющих сплавов, проведенных методам электронно-зондового микроанализа, результаты которого приведены выше.


Основные результаты и выводы
  1. Экспериментально установлено, что в системах Bi-Cd, Bi-Sn, Bi-Pb, Bi-In, Pb-Sn ПЭТ интенсифицирует процессы растворения частиц с Rкр (Rкр – критический размер зародыша) и роста частиц с R>Rкр за счет электродиффузионного переноса ионов расплава.
  2. Показано, что выражение R3(τ) = R03 + k · τ, предложенное И.М. Лифшицем и В.В. Слезовым, выполняется до определенной стадии процесса – начала седиментации. Видимо, это связано с тем, что оно было получено при условии неподвижности частиц.
  3. Экспериментальное изучение температурно-концентрационных и временных зависимостей структурного состояния исследуемых сплавов позволяет предположить, что кластеры, подобные микрокристаллам, равновесно существуют в расплавах при температурах близких к ликвидусным.
  4. Впервые обнаружено, что для жидко-твердого сплава, содержащего слабопроводящие твердые включения германия (система In-Ge), характерной особенностью при пропускании ПЭТ является вытеснение этих включений перпендикулярно оси к периферии образца. Это связано с возникновением сил, обусловленных значительной разностью электропроводностей включения и окружающего его металлического расплава (σGe << σIn).
  5. Впервые изучено влияние ПЭТ и внешнего магнитного поля на микроструктуру жидко-твердых сплавов с ферромагнитными твердыми включениями (система In-Ni). Обнаружена зависимость формирования микроструктуры от соотношения направлений ПЭТ и внешнего магнитного поля.

Перемещение частиц никеля к аноду позволяет заключить, что эффективный заряд никеля в данном сплаве Z*<0.

6. Электронно-зондовый микроанализ показал, что конгломерат, образующийся при пропускания ПЭТ через сплав Bi + 44 ат. % Cd, является твердым раствором висмута (~1–2 %Cd). Обнаружено, также влияние ПЭТ изменение параметров кристаллических ячеек компонентов сплавов Bi + 44 ат. % Cd и Bi + 30 ат. % Sn.


Список цитируемой литературы
  1. Белащенко, Д.К. Явления переноса в жидких металлах и полупроводниках / Д.К. Белащенко. – М.: Атомиздат, 1970. – 400 с.
  2. Лифшиц, И.М. О кинетике диффузионного распада пересыщенных твердых растворов / И.М. Лифшиц, В.В. Слезов // Журнал экспериментальной и теоретической физики, 1958. – Т.35. – Вып.2 (8). – C. 479-492.
  3. Бояревич, В.В. Электровихревые течения / В.В. Бояревич, Я.Ж. Фрей­берг, Е.И. Шилова, Э.В. Щербинин. – Рига: 3инатне, 1985. – 315 с.
  4. Ахкубекова, С.Н. Расчет силы, действующей на твердую проводящую сферическую частицу, находящуюся в жидком цилиндрическом проводнике / С.Н. Ахкубекова, М.М. Байсултанов, А.А. Ахкубеков // Вестник КБГУ. Серия Физические науки. Нальчик, КБГУ, 2001. – Вып. 6. – С. 10-13.
  5. Шурыгин, П.М. Влияние электрического тока на кинетику растворения примесей в расплавленных металлах / П.М. Шурыгин, А.М. Орлов, Ю.М. Лебедев // Известия ВУЗов. Цветная металлургия, 1975. – №4. – С. 43-48.
  6. Белащенко, Д.К. Явления переноса в жидких металлах и полупроводниках / Д.К. Белащенко. – М.: Атомиздат, 1970. – 400 с.
  7. Бояревич, В.В. Силы, действующие на тела в токонесущей жидкости / В.В. Бояревич, Р.П. Миллере, А.Ю. Чудновский // Магнитная гидродинамика, 1985. – №1. – С. 67-72.


Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

  1. Афашоков, В.З. Влияние температуры и электрического тока на фазовое состояние в сплаве Bi + 69 ат. % In / В.З. Афашоков, А.А. Ахкубеков, С.Н. Ахкубекова, М.М. Байсултанов // Известия РАН. Серия физическая, 2008. – Т. 72. – № 10. – С. 1436-1438 (из перечня ВАК).
  2. Афашоков, В.З. Фазообразование в жидко-твердых сплавах под действием постоянного электрического тока / В.З. Афашоков, А.А. Ахкубеков, С.Н. Ахкубекова, М.М. Байсултанов // Известия РАН. Серия физическая, 2009. – Т. 73. – № 7. – С. 1041-1043 (из перечня ВАК).
  3. Афашоков, В.З. Влияние состава и постоянного электрического тока на фазообразование в жидко-твердых сплавах системы Bi-Cd / В.З. Афашоков, А.А. Ахкубеков, М.М. Байсултанов // Известия РАН. Серия физическая, 2010. – Т. 74. – № 5. – С. 717-719 (из перечня ВАК).
  4. Афашоков, В.З. Влияние постоянного электрического тока на фазообразование в жидко-твердых сплавах системы Pb-Sn / В.З. Афашоков, А.А. Ахкубеков, М.М. Байсултанов // Известия РАН. Серия физическая, 2011. – Т. 75. – № 5. – С. 747-748 (из перечня ВАК).
  5. Таранов, Д.А. Влияние электрического тока на структурообразование в сплавах Pb-Sn и Bi-Sn, находящихся в жидко-твердом состоянии / Д.А. Таранов, В.З. Афашоков, А.А. Ахкубеков, С.Н. Ахкубекова // Труды II Международного семинара: «Теплофизические свойства веществ (жидкие металлы и сплавы, наносистемы)». Нальчик: КБГУ, 2006. – С. 52-54.
  6. Афашоков, В.З. Влияние температуры и тока на расплавы сложных систем, находящихся в жидко-твердом состоянии / В.З. Афашоков, А.А. Ах­ку­беков, С.Н. Ахкубекова // Сборник тезисов: IV Российской научно-техни­ческой конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (ФСМиС-IV). – Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2007. – С. 80-81.
  7. Афашоков, В.З. Влияние электрического тока на структурообразование в сплаве InBi, находящегося в жидко-твердом состоянии / В.З. Афашоков, А.А. Ахкубеков, С.Н. Ахкубекова, М.М. Байсултанов // Труды Международного симпозиума: «Плавление и кристаллизация металлов и оксидов» (MCMO-2007). – п. Лоо, 2007. – С. 22-25.
  8. Афашоков, В.З. Влияние температуры и тока на расплавы сложных систем, находящихся под и над линией ликвидуса / В.З. Афашоков, А.А. Ахкубеков, С.Н. Ахкубекова // Труды IV Российской научно-техничес­кой кон­ференции: «Физические свойства металлов и сплавов». – Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2007. – C. 120-125.
  9. Афашоков, В.З. Влияние электрического тока на равновесие кристалл-расплав в жидко-твердых сплавах Bi-Cd / В.З. Афашоков, А.М. Багов, М.М. Бай­султанов, М.Н. Ульбашев // Труды Международного симпозиума «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» (LDS-2008). – п. Лоо, 2008. – С. 30-33.
  10. Афашоков, В.З. Влияние постоянного электрического тока на фазообразование в жидко-твердых сплавах Bi+44 % ат. Cd / В.З. Афашоков // Тезисы докладов X Всероссийской молодёжной школа-семинара по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-10). – Екатеринбург, 2009. – С. 95.
  11. Афашоков, В.З. Влияние постоянного электрического тока на структурообразование в жидко-твердом сплаве системы Bi-Sn / В.З. Афашоков // Тезисы докладов XVI Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (ВНКСФ-16). – Волгоград, 2010. – С. 709-710.



В печать 03.06.2011. Тираж 100 экз. Заказ №_______.

Полиграфический участок ИПЦ КБГУ

3

60004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173.