СТРУКТУРНІ ЗМІНИ ПРИ МОДИФІКАЦІЇ РІДКИХ ЕВТЕКТИК : СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРИ МОДИФИКАЦИИ ЖИДКИХ ЭВТЕКТИК



  • Название:
  • СТРУКТУРНІ ЗМІНИ ПРИ МОДИФІКАЦІЇ РІДКИХ ЕВТЕКТИК
  • Альтернативное название:
  • СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРИ МОДИФИКАЦИИ ЖИДКИХ ЭВТЕКТИК
  • Кол-во страниц:
  • 169
  • ВУЗ:
  • ЛЬВІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ІВАНА ФРАНКА
  • Год защиты:
  • 2008
  • Краткое описание:
  • Львівський національний університет імені Івана Франка


    На правах рукопису





    Штаблавий Ігор Іванович

    УДК 539.266+669.018



    Структурні зміни при модифікації рідких евтектик


    01.04.13 Фізика металів





    Дисертація на здобуття наукового ступеня
    кандидата фізико-математичних наук





    Науковий керівник д.ф-м.н., проф.
    Мудрий Степан Іванович





    Львів — 2008 рік ЗМІСТ




    Вступ...


    4




    Розділ І. Структурні особливості евтектик у твердому та рідкому станах .



    9




    1.1. Кристалізація та структура евтектичних сплавів


    9




    1.2. Структура металевих розплавів та її кількісний опис


    15




    1.3. Сучасні уявлення про структуру евтектичних розплавів ..


    23




    1.4. Закономірності формування структури евтектичних сплавів ...


    30




    1.5. Модифікація евтектик ...


    34




    Висновки до розділу І ...


    38




    Розділ ІІ. Методика експериментальних досліджень ...


    40




    2.1. Одержання експериментальних результатів ...


    40




    2.1.1. Високотемпературний рентгенівський дифрактометр


    40




    2.1.2. Монохроматизація випромінювання .


    41




    2.1.3. Реєстрація розсіяного випромінювання


    42




    2.2 Обробка експериментальних даних ..


    43




    2.2.1 Внесення поправок на поляризацію і поглинання


    43




    2.2.2 Нормування кривих інтенсивності .


    45




    2.3 Похибки, які виникають у процесі рентгеноструктурного дослідження рідин .



    48




    2.2.3 Методика дослідження структури розплавів методом молекулярної динаміки



    53




    Висновки до розділу ІІ .


    55




    Розділ ІII. Структурні зміни у розплавах евтектичних систем з нікелем ...



    56




    3.1 Система (Bi0,995Cu0,005)1-хNiх


    56




    3.2 Система (In0,205Ga0,670Sn0,125)1-хNiх ..


    67




    3.3 Система (Al0,88Si0,12)1-xNix ...


    74




    3.4 Система (Al0,83Cu0,17)1-хNiх ..


    84




    Висновки до розділу ІІІ


    95




    Розділ IV. Структура розплавів Cu0,70Si0,30+Pb(Sn, Al) .


    97




    4.1 Структура хімічної сполуки Cu3Si в рідкому стані .


    99




    4.2 Ближній порядок рідкої евтектики Cu0,70Si0,30 ..


    109




    4.3 Ближній порядок в розплавах системи (Cu0,70Si0,30)1-хPbх


    115




    4.4 Система (Cu0,70Si0,30)1-хSnх ...


    121




    4.5 Ближній порядок у розплавах системи (Сu0,70Si0,30)1-хAlх


    132




    Висновки до розділу ІV


    142




    Розділ V Дослідження структури розплавів методом молекулярної динаміки ..



    144




    6.1. Опис міжчастинкової взаємодії в розплавах Al-Cu з допомогою потенціалу СаттонаЧена .



    144




    6.2. Дослідження структури рідкої евтектики Al0,83Cu0,17 методом молекулярної динаміки



    146




    Висновки до розділу V .


    152




    Висновки ...


    154




    Список використаних джерел ..


    156






    ВСТУП
    Актуальність теми. Інтерес до евтектичних сплавів постійно зростає завдяки їх практичному застосуванню у багатьох галузях техніки і промисловості. Зважаючи на те, що температури плавлення евтектик є нижчими за температури плавлення компонент, ці сплави часто використовують як припої, ливарні сплави, температурні репери а також для створення композитних матеріалів. Останніми роками евтектичні сплави використовують з метою одержання аморфних металічних матеріалів методом швидкого охолодження розплаву. Навіть цей далеко не повний перелік потребує покращення експлуатаційних характеристик, які, своєю чергою, залежать від структури й фізико-хімічних властивостей.
    Відомо, що деякі металічні сплави легко аморфізуються шляхом гартування з рідкого стану, особливо це стосується тих, склад яких близький до концентрації глибоких евтектик на фазовій діаграмі рівноваги [[i]]. Властивості одержаних таким способом аморфних речовин часто змінюють методом легування іншими елементами. Внесення у рідку евтектику певних елементів значно змінює властивості загартованих твердих сплавів, не зважаючи на те, що їх відсотковий вміст є зовсім малим [[ii], [iii]]. Домішки також потрібні для одержання нанокристалів шляхом відпалу аморфної фази, що дає змогу впливати на процеси формування структури. Метою цього впливу є створення термодинамічних та кінетичних умов для формування кластерів і обмеження їхнього росту.
    У металургії також часто використовують домішки для зміни властивостей евтектичних сплавів у твердому стані, що відоме як модифікація. На жаль фізика процесу модифікації до сьогодні не повністю вивчена. Деяку важливу інформацію можна отримати з потрійних фазових діаграм, але в багатьох випадках таких немає, або вони не є встановленими в кінцевому вигляді. Крім того, термодинамічні дані й фазові діаграми не відображають повної картини кінетики модифікації.
    Дифракційні дослідження і результати вимірювання фізичних величин [[iv][v][vi]], які стосуються порівняння структури і властивостей евтектичних сплавів у твердому і рідкому станах [[vii], [viii]], засвідчили існування мікронеоднорідного ближнього порядку в рідких евтектиках при температурах, близьких до температури кристалізації, а також наявність тенденції до утворення самоасоційованих груп атомів. Атоми кожного елементу не розподілені статистично, а оточені такими самими атомами. Такий тип структури зумовлює формування мікросегрегації у розплаві. Як було показано методами малокутового розсіяння нейтронів [[ix]] і комп’ютерного моделювання структурні одиниці такого типу є нанорозмірними. З дифракційних даних випливає що розмір структурних одиниць (кластерів) зменшується з підвищенням температури. До певної температури евтектичні розплави є структурно негомогенними і під час нагрівання утворюють статистичний атомний розподіл. Зважаючи на це, рідкі евтектичні сплави розглядають як розчини, які стають ідеальними атомними розчинами лише за умови деякого, а інколи досить значного перегріву відносно точки кристалізації.
    Така залежність структури має бути врахована при швидкому охолодженні розплаву. Експериментально підтверджено, що структури сплавів кристалізованих з різних температур перегріву вище точки плавлення сильно відрізняються. Зважаючи на це, важливо вивчити можливість зовнішнього впливу на процеси формування структури у рідкому стані з метою зміни властивостей закристалізованих сплавів. З іншого боку, деякі евтектичні розплави навіть при температурах, близьких до точки кристалізації, мають статистичний атомний розподіл. З огляду на це важливо дослідити зміну структури евтектичного розплаву під час додавання інших елементів і зміну структурних параметрів під час нагрівання та охолодження.
    Зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Дисертаційна робота пов’язана із планами науково-дослідних робіт кафедри фізики металів Львівського національного університету імені Івана Франка, і виконувалась в рамках держбюджетних тем Механізм формування структури в композитних системах на основі евтектик”. Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор С.І.Мудрий (Фр-143Ф, номер державної реєстрації 0103U001944, термін виконання 20032005рр.).Структурні зміни при формуванні рідинно-твердофазних композитних систем”. Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор С.І. Мудрий (Фр-51Ф, номер державної реєстрації 0106U001290, термін виконання 2006 р.). Атомно-кластерна структура та кінетичні властивості металевих і напівпровідникових систем з 3d (4f)-металами” Наукові керівники: доктор фізико-математичних наук, професор С.І. Мудрий та канд. фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Ю.О.Плевачук (Фл-50Ф, номер державної реєстрації 0107U002048, термін виконання 20072008 рр.) .
    Мета та завдання дослідження. Метою роботи є вивчення змін атомного розподілу евтектичних розплавів (Bi0,995Cu0,005, In0,205Ga0,670Sn0,125, Al0,88Si0,12, Al0,83Cu0,17, Cu0,70Si0,30) залежно від вмісту домішок Ni, Pb, Sn, та Al і встановлення на основі отриманих даних механізму модифікації евтектик на стадії існування рідкої фази.
    Досягнення поставленої мети передбачає вирішення таких задач:
    - проведення рентгеноструктурного дослідження розплавів зазначених евтектик при додаванні домішок;
    - аналіз концентраційної залежності структурних параметрів;
    - визначення характеру хімічного ближнього порядку шляхом розрахунку парціальних структурних факторів оберненим методом Монте-Карло з використанням власних експериментальних структурних даних та методом молекулярної динаміки;
    - зіставлення структурних параметрів з термодинамічними даними, фізико-хімічними характеристиками і особливостями діаграм фазової рівноваги.
    Об’єктом дослідження є: структурні зміни розплавлених евтектик при додаванні інших елементів.
    Предметом досліджень є ближній порядок у розплавах систем (Bi0,995Cu0,005)1-xNix, (In0,205Ga0,670Sn0,125)1-xNix (Al0,88Si0,12)1-xNix (Al0,83Cu0,17)1-xNix Cu0,7Si0,3, Cu3Si (Cu0,70Si0,30)1-xPbx (Cu0,70Si0,30)1-xAlx (Cu0,70Si0,30)1-xSnx.

    Методами дослідження є:
    - метод високотемпературної рентгенівської дифрактометрії рідин;
    - метод растрової електронної мікроскопії;
    - метод рентгенівського мікроаналізу;
    - метод рентгеноструктурного аналізу;
    - обернений метод Монте-Карло;
    - метод молекулярної динаміки.
    Наукова новизна роботи полягає в наступному:
    - вперше досліджено структуру евтектики Cu0,70Si0,30 та її компоненти Cu3Si в рідкому стані;
    - вперше вивчено вплив Ni, на структуру рідких евтектик Bi0,995Cu0,005, In0,205Ga0,670Sn0,125, Al0,88Si0,12, Al0,83Cu0,17, а також Pb, Sn, та Al на структуру розплавленої евтектики Cu0,70Si0,30;
    - досліджено структурні зміни під час взаємодії рідинадрібнодисперсні частинки нікелю (2-5mm) при модифікації евтектик Bi0,995Cu0,005, In0,205Ga0,670Sn0,125, Al0,88Si0,12 та Al0,83Cu0,17;;
    - вперше показано, що досліджувані евтектичні сплави з домішками Pb, Sn, Al та Ni характеризуються мікронеоднорідним ближнім порядком у температурному інтервалі 50100 К вище точки плавлення;
    - вперше встановлено взаємозв’язок між структурою модифікованих евтектик Bi0,995Cu0,005, In0,205Ga0,670Sn0,125, Al0,88Si0,12, Al0,83Cu0,17, Cu0,70Si0,30 в рідкому та кристалічному станах.
    Практична цінність роботи полягає в тому, що отримані у роботі результати дослідження впливу домішок на структуру в передкристалізаційному інтервалі температур дають змогу вдосконалити наявні методи модифікації евтектичних сплавів і отримати нові сплави на основі Al і Cu із заданими властивостями.
    Особистий внесок здобувача. Постановка задачі досліджень виконувалась науковим керівником за участю дисертанта. Аналіз літературних даних, експериментальні структурні дослідження та вдосконалення методики проведення експерименту виконано самостійно. Обговорення і тлумачення результатів дослідження відбувались за активної участі дисертанта.
    Постановка завдань і вибір методичних підходів до проведення досліджень зроблені науковим керівником роботи при безпосередній участі дисертанта.
    Апробація рекзультатів дисертації:
    - Physics of disordered systems” Materials of II International Conference October 1416, 2003 Lviv, Ukraine.
    - NANSYS-2004 Abstract Book 1214 of October, 2004 Kyiv, Ukraine.
    - 3rd International Conference Physics of Liquid Matter: Modern Problems May 2731, 2005, Kyiv Ukraine.
    - Physics of Disordered Systems” Gdansk-Sobieszewo, Poland, September 1821, 2005.
    - IX International Conference on Crystal Chemistry of Intermetallic Compounds Lviv, Ukraine September 2024, 2005.
    - XIII-th international seminar on physics and chemistry of solids, Ustron Slaski, 1013 June 2007
    - Thirteenth international conference on liquid and amorphous metals Lam XIII”, Ekaterinburg, July 814, 2007
    - X International Conference on Crystal Chemistry of Intermetallic Compounds Lviv, Ukraine September 1720, 2007.
    - 4rd International Conference Physics of Liquid Matter: Modern Problems May 2326, 2008, Kyiv Ukraine.
    За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 17 робіт серед яких 9 статей та 8 тез доповідей на конференціях.





    [i] Ishii H. Preparation of amorphous metallic powder / H. Ishii, M. Naka, T. Masumoto // Science Report, RITU. 1981. V. A29. P. 343350.


    [ii] Mattern N. Effect of Cu and Nb on crystallization and magnetic properties of amorphous Fe77.5Si15.5B7 alloys / N. Mattern, A. Danzig, M. Muller // Materials Science and Engineering. 1995. A 194. P. 7785.


    [iii] Nanocrystallization of amorphous alloys: comparison between furnace and current annealing / A. Gupta, N, Bhagat, G. Principi [et al] //Intermetallics 2000 №8 P 287291.


    [iv] Вилсон Д.Р. Структура жидких металлов и сплавов / Вилсон Д.Р. Пер. с анг. М. : Металлургия, 1972. 247с.


    [v] Egelstaff P.A. An introduction to the liquid state / Egelstaff P.A. Oxford 1992. 390p.


    [vi] X-ray reflectivity studies of liquid metal and alloy surfaces / M. J. Regan P. S. Pershan O. M. Magnussen [et al] // Physical Review B, 1997. v.55. №23. P. 1587415884.


    [vii] Structural and mechanical properties of AlSi alloys obtained by fast cooling of a levitated melt / S.P. Nikanorov, M.P. Volkov, V.N. Gurin [et al] //Materials Science and Engineering A 2005. V.390 P. 6369


    [viii] Chun B.S. Structure and properties of rapidly solidified Mg-Al alloys / B.S.Chun, C W. Won, S. D. Kim [et al] //Journal of Materials Science. 1999. V34. P. 43114320


    [ix] Мудрый С. И. Структурные особенности расслоения расплава Ga0.6Bi0.4 / С.И. Мудрый, В. П. Гальчак, В. М. Гарамус //Расплавы. 2005. №3. C.8791.
  • Список литературы:
  • ВИСНОВКИ
    1. Модифікація евтектик у рідкому стані визначається не лише природою та концентрацією домішки, але також і структурним станом самої евтектики. Зокрема, методом дифракції рентгенівських променів та молекулярно-динамічних розрахунків встановлено, що евтектика Al83Cu17 характеризується мікронеоднорідною будовою зі структурою, яка відповідає матриці на основі розчину міді в алюмінії, в якій розподілені мікрообласті з хімічним ближнім порядком типу Al2Cu. В евтектичному розплаві Cu3Si+Si наявні хімічно впорядковані мікрообласті зі структурою η-фази, які статистично розподілені у матриці на основі розчину Cu(Si).
    2. Додавання до евтектик Bi0,995Cu0,005, In0,205Ga0,670Sn0,125, Al0,88Si0,12 та Al0,83Cu0,17 дрібнодисперсних частинок нікелю (25mm) призводить до зростання ступеня мікронеоднорідності структури внаслідок утворення хімічно впорядкованих мікрообластей M+Ni (M один з компонент евтектики) у процесі розчинення кристалічної фази в евтектичному розплаві.
    3. Структура виродженої евтектики Bi0,995Cu0,005, модифікованої 5% нікелю, характеризується більшим ступенем мікронеоднорідності порівняно з розплавом Bi0,95Ni0,05, що свідчить про переважаючу роль міді в утворенні мікрообластей типу BiNi та Bi3Ni. При більших концентраціях Ni вплив міді зменшується.
    4. Структура евтектик Al0,88Si0,12 та Al0,83Cu0,17 модифікованих нікелем, суттєво залежить від концентрації домішки. При малому вмісті нікелю (до 510 ат%) у розплаві Al0,88Si0,12+Ni є незначна кількість мікрообластей, AlnNim, що призводить до зменшення середньої атомної густини, тоді як при такому самому вмісті Ni в евтектиці Al0,83Cu0,17 спостерігається формування проміжного порядку на основі мікрообластей AlnNim. При більшій концентрації нікелю відбувається утворення структури в основному з типом Al3Ni, AlNi та Al7Cu4Ni.
    5. Структурні зміни розплавлених евтектик при додаванні порошку Ni трансформуються в область існування твердої фази. Зокрема, поряд з мікроструктурою евтектики утворюються сполуки нікелю з компонентами евтектик (BiNi, Bi3Ni, Ga3Ni2, GaNi, In3Ni2, InNi, Ni3Sn2, Al3Ni, AlNi, та Al7Cu4Ni).
    6. Додавання атомів свинцю, алюмінію (5 ат%) чи олова (510ат%) до евтектики Cu0,70Si0,30 супроводжується розчиненням атомів домішки шляхом їх розміщення в динамічних вакансіях” структури евтектичного розплаву. При зростанні концентрації домішки формуються мікроугрупування з атомним розподілом, характерним для чистого свинцю або олова.
    7. Структурні зміни, які відбуваються у процесі модифікації рідкої евтектики Cu0,70Si0,30 свинцем, оловом та алюмінієм, успадковуються після кристалізації. Атоми свинцю виділяються з евтектики та утворюють окремі структурні одиниці. Мікроскопічний аналіз закристалізованої евтектики, модифікованої оловом, дав змогу встановити факт існування кристалітів кремнію, оточених оловом. Інша частина атомів олова утворює кристаліти на основі хімічної сполуки Cu6Sn5 і чистого Sn. Додавання алюмінію до цієї евтектики спричинює утворення голчастої структури на основі кремнію та алюмінію.

    8. Аналіз структурних даних для досліджуваних сплавів Cu0,70Si0,30+(Pb, Sn, Al) і результатів розрахунку парціальних структурних факторів вказують, що ефективність модифікуючого впливу домішок на структуру в передкристалізаційному інтервалі температур зростає у такій послідовності: Pb ® Sn ®Al.
  • Стоимость доставки:
  • 150.00 грн


ПОИСК ДИССЕРТАЦИИ, АВТОРЕФЕРАТА ИЛИ СТАТЬИ


Доставка любой диссертации из России и Украины