Фізичні закономірності коміркового розпаду твердих розчинів на основі свинцю та міді

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ МЕТАЛОФІЗИКИ ім. Г. В. КУРДЮМОВА

УДК 621.9:539.219.3:534.2

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

ФІЗИЧНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ КОМІРКОВОГО РОЗПАДУ ТВЕРДИХ РОЗЧИНІВ НА ОСНОВІ СВИНЦЮ ТА МІДІ

Спеціальність 01.04.13 - фізика металів

БОНДАРЕНКО ЮРІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

КИЇВ - 2009

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділі дифузійних процесів

Інституту металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Шматко Олег Анатолійович, Інститут металофізики НАН України, завідувач відділу дифузійних процесів.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Данільченко Віталій Юхимович,

Інститут металофізики НАН України,

завідувач відділу індукованих мартенситних перетворень

кандидат фізико-математичних наук, доцент

Луценко Григорій Васильович,

Черкаський національний університет ім. Б. Хмельницького,

доцент кафедри теоретичної фізики фізичного факультету

Захист відбудеться „01” липня 2009 р. о 14 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д.26.168.01 Інституту металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України за адресою 03142, ГСП, м. Київ-142, бульв. Вернадського, 36.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України за адресою:

03142, ГСП, м. Київ-142, бульв. Вернадського, 36.

Автореферат розісланий „01” червня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор фізико-математичних наук В.К. Піщак

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

кінетичний олово свинець термооброблення

Актуальність теми. Розвиток науки та техніки потребує створення нових матеріалів з якомога ліпшим заданим комплексом фізико-механічних властивостей. Зокрема, однією з технологічних операцій, що призводить до поліпшення цих властивостей, є багаторазове циклічне термічне оброблення сплаву за схемою „комірковий розпад твердого розчину - сталоплинне розчинення його продуктів”, яке дає можливість значно подрібнювати зеренну структуру. Так, визначення температури, за якої буде протікати сталоплинне розчинення, є важливою задачею для отримання подрібненої структури. Показано, що це можливо зробити без будь-яких додаткових операцій, окрім термооброблення.

Комірковий розпад відбувається на висококутових межах зерен, бо низькокутові межі практично є пасивними до його ініціювання. Це, зокрема, встановлено на сплавах Pb-Sn, де показано, що на межах, кут розорієнтації яких, нижчий 15°, комірки не формуються. Взагалі межами зерен відокремлено області, подібні фазово і за кристалічною структурою, але різні за орієнтацією. Пересування меж зерен цілковито аналогічне ростові одного кристаліта унаслідок поглинання сусіднього. У цьому сенсі межа зерна є площиною контакту зовнішніх поверхонь дотичних зерен. Зрозумілими тому є результати кристалографічних експериментів щодо орієнтації, скажімо, матриці збідненого твердого розчину комірки, що зберігає орієнтацію зерна від якого стартувала комірка у своєму рості.

Унаслідок існування на проміжних стадіях коміркового розпаду двох твердих розчинів: пересиченого _ з вихідною концентрацією розчиненого елементу та збідненого, спостерігаються два параметра ґратниці, дві точки Кюрі у феромагнітних сплавах, дві критичних температури у надпровідних сплавах, які належать відповідно вихідному та збідненому (у платівках комірок) твердим розчинам. Це, зокрема, надає можливість практичного використання матеріалів, здатних до незалежного застосування у двох температурних інтервалах. Визначення кінетичних та термодинамічних параметрів коміркового розпаду дає змогу керувати даним процесом.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконано у відділі дифузійних процесів Інституту металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України за темами відділу №0105U00979 (Механізми подрібнення структури сплавів, зумовленого комірковим розпадом твердого розчину) та №0107U009634 (Кінетичні та термодинамічні параметри дифузійних процесів на межах зерен металевих твердих розчинів).

Мета роботи. Встановлення кінетичних та термодинамічних параметрів коміркового розпаду пересичених твердих розчинів свинець-олово і впливу багаторазового циклічного термооброблення за схемою “комірковий розпад твердого розчину - сталоплинне розчинення його продуктів” на зеренну структуру сплаву Cu-Ti.

Для досягнення мети належало розв'язати наступні завдання:

1) дослідження кінетичних параметрів коміркового розпаду пересичених твердих розчинів для усього інтервалу гомогенних сплавів олова у свинцю;

2) визначення термодинамічних параметрів процесу старіння сплавів свинець-олово за комірковим механізмом;

3) встановлення кінетичних особливостей багаторазового циклічного термооброблення за схемою „комірковий розпад твердого розчину - сталоплинне розчинення його продуктів” як технологічної операції подрібнення зеренної структури сплавів Cu-Ti , що старіють за комірковим механізмом.

Наукова новизна. У роботі вперше експериментально досліджено кінетичні та термодинамічні параметри розпаду пересичених твердих розчинів Pb-Sn за комірковим механізмом практично для усього інтервалу гомогенних сплавів олова у свинцю (до 23,55 ат.% Sn). Встановлено, що загальна кінетика коміркового розпаду визначається, головним чином, співвідношенням відповідних величин рухливості меж зерен та сеґреґаційного фактора. Показано чітку залежність рухливості меж зерен від кута їхньої розорієнтації. Показано, також, що сталоплинне розчинення продуктів коміркового розпаду дає змогу застосувати циклічне термооброблення для подрібнення зеренної структури сплаву.

Наукова і практична цінність отриманих результатів. На підставі вивчених кінетичних та термодинамічних параметрів і одержаних результатів, можна прогнозовано запровадити певні температурні режими оброблення сплавів, що старіють за комірковим механізмом, цілеспрямовано керувати цим процесом з метою одержання бажаного комплексу експлуатаційних фізико-механічних властивостей.

Особистий внесок здобувача. Здобувач брав участь: у визначенні основних кінетичних та термодинамічних параметрів досліджуваних пересичених твердих розчинів; у підготовці та проведенні експериментів; в опрацюванні та аналізі отриманих експериментальних результатів; у написанні статей та підготовці матеріалів доповідей на наукових конференціях.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи були представлені на наукових конференціях:

1. Міжнародна конференція студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики, Еврика - 2006, Україна, Львів, 15-17 травня 2006 р.

2. Міжнародна конференція студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики, Еврика - 2007, Україна, Львів, 22-24 травня 2007 р.

3. Міжнародна конференція молодих учених та аспірантів, ІЕФ-2007, Україна, Ужгород, 14-19 травня 2007 р.

4. 4-th International Workshop, Diffusion and Diffusional Phase Transformations in Alloys, DIFTRANS-07, Ukraine, Sofiyivka (Uman), July 16-21, 2007.

5. Всеукраїнська конференція молодих вчених, Сучасне матеріалознавство: матеріали та технології, Україна, Київ, 12-14 листопада 2008 р.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 5 статтей у фахових журналах і 5 тез доповідей на наукових конференціях різного рівня.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків та списку цитованої літератури з 105 найменувань. Роботу викладено на 128 сторінках машинописного тексту, включаючи 14 таблиць та 54 рисунків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність і важливість обраної теми дисертаційної роботи, її наукову і практичну цінність, сформульовано мету і завдання дослідження.

В першому розділі „Комірковий розпад та розчинення його продуктів” представлено огляд літературних даних, що стосуються загальних уявлень про основні закономірності коміркового розпаду пересичених твердих розчинів та розчинення його продуктів за несталоплинним механізмом. Описано 2 основних механізми розпаду пересичених твердих розчинів: сталоплинний та несталоплинний, наведено їх ознаки та відмінності. Розглянуто теоретичні і експериментальні результати різних дослідників, присвячені розпадові пересичених твердих розчинів сплавів системи свинець-олово. Унікальність сплавів цієї системи полягає в тому, що саме у них та сплавах Co-W комірковий розпад проявляється у чистому вигляді за відсутності старіння за іншими механізмами. Для решти ж сплавів, в яких спостерігається комірковий розпад, він відбувається лише за чітко визначеного температурного інтервалу, як, наприклад, для сплавів Cu-Ti, або ж одночасно зі сталоплинним розпадом, як, наприклад, у сплавах Ni-Be. Зручністю сплавів Pb-Sn, як експериментального об'єкту, є ще й те, що вони старіють за кімнатної температури. Здатність висококутових меж зерен до ініціювання коміркового розпаду підтверджено, зокрема, у [1-3], де на сплавах Pb-Sn, було показано, що на кутах розорієнтації меж зерен нижчих 15° комірки не формуються. Розглянено способи визначення кінетичних та термодинамічних параметрів коміркового розпаду пересичених твердих розчинів. Кінетичні та термодинамічні параметри розчинення продуктів коміркового розпаду наявні в літературних джерелах стосуються, головним чином, несталоплинного розчинення. Цим визначено постановку задачі дослідження процесу сталоплинного розчинення.

В другому розділі „Матеріали, експериментальне обладнання та методика досліджень” описано виготовлення зразків сплавів, умови їхнього термічного оброблення, методи досліджень та дослідна апаратура. Для дослідження було виготовлено бінарні сплави Pb - Sn (склад подано у табл. 1), а також Cu - 5,7 ат.% Ti та Ni - 11,3 ат.% Be. Досліджувані сплави виплавляли в індукційній печі в атмосфері аргону з свинцю (99,97 ат. %) та олова (99,96 ат. %), безкисневої Сu (99,98 ат. %) та йодидного Ti (99,97 ат. %), нікелю (99,96 ат. %) та берилію (99,95 ат. %).

Таблиця 1. Склад досліджуваних сплавів Pb _ Sn

Вміст Sn
мас.%	ат.%
3,00	5,12
4,50	7,60
6,00	10,03
7,50	12,38
9,00	14,73
12,00	19,22
15,00	23,55
17,55	27,07
19,00	29,09

Сплави свинець-олово гомогенізували протягом 10 годин за температури 455 К з наступним загартуванням в азот. Старіння відбувалося за кімнатної температури 293 К.

Сплав Cu - 5,7 ат.% Ti гомогенізували протягом 8 годин за температури 1170 К з наступним загартуванням у воду. Комірковий розпад проведено за температури 948 К. Сталоплинне розчинення продуктів коміркового розпаду досліджувалося за температури 1170 К.

Сплав Ni - 11,3 ат.% Be гомогенізувався протягом 2 годин за температури 1420 К з наступним загартуванням у воду. Старіння за комірковим механізмом проводилося за температури 770 К.

Дослідження виконано методами рентґено-структурного аналізу та оптичної мікроскопії.

Зразки для дослідження мікроструктури підготовлено за стандартною методикою оброблення металографічних зразків (шліфування, поліровка, щавлення). Мікроструктуру відшліфованих та полірованих зразків виявляли за кімнатної температури щавником, що складався з 25 % HF і 75 % HNO₃ для сплаву Cu - 5,7 ат.% Ti; для Pb-Sn застосовували електролітичне щавлення в електроліті: 88% оцетного ангідриду, 10% хлорнокислого літію, 2% води, за напруги 24 В.

Рентґенівські досліджені проведено на серійному приладі ДРОН-3М в кобальтовому K_б випромінюванні з довжиною хвилі 0,179026 нм (для сплавів Pb-Sn) та мідному K_б випромінюванні з довжиною хвилі 0,154184 нм (для сплавів Cu - 5,7 ат.% Ti та Ni - 11,3 ат.% Be).

В третьому розділі „Дослідження кінетичних та термодинамічних параметрів коміркового розпаду пересичених твердих розчинів” наведено результати визначення кінетичних та термодинамічних параметрів коміркового розпаду пересичених твердих розчинів Pb-Sn, їх взаємозв'язок та концентраційні залежності.

Рушійною силою коміркового розпаду є різниця вільної енергії вихідного і збідненого твердих розчинів, яка визначається залишковим пересиченням, тобто різницею між концентраціями вихідного (с₀) та збідненого (с_с) твердих розчинів. Величини с_с визначено за даними ретґеноструктурних досліджень із концентраційної залежності параметра ґратниці (а₀) загартованих сплавів Pb-Sn (табл. 2, рис. 1), яка описується співвідношенням:

, нм.(1)

Для більшості сплавів величини с_с помітно перевищують значення концентрації рівноважного твердого розчину (с_l). Це означає, що ці тверді розчини розпадаються частково. Так у результаті розпаду вся площа металографічного шліфа заповнюється розрослими комірками. Пересичення твердого розчину, невичерпане за первинного розпаду, обумовлює вторинний розпад (або т. зв. несталоплинне огрублення коміркової структури), що характеризується утворенням вторинних комірок з грубішою платівковою структурою на поверхнях стику первинних.

За величинами с₀, с_с та с_l визначено величини перетвореного об'єму (F) унаслідок первинної та вторинної коміркових реакцій (табл. 2).

Величини швидкості росту комірок (v) визначали із залежностей максимального розміру комірки в напрямку її росту () від часу ізотермічного відпуску (), приклади яких подано на рис. 2. Значення v знаходили зі співвідношення

,

де ф₀ - латентний період, який для більшості сплавів Pb-Sn складає кілька секунд. За отриманими величинами v побудовано її залежність від вмісту Sn у сплавах свинець-олово (рис. 4), що описується рівнянням:

v = exp ( - 4,3 + 0,47·c₀)/10⁸. (2)

Наявні в літературі дані задовільно вкладаються на нашу залежність.

Таблиця 2. Зміна а₀, а_с, с_с та F залежно від концентрації легуючого елементу

ат.% Sn	а, нм	сс, ат.% збідн.тв.розчину	F, % розпаду
	а0, нм, загарт. сплав	ас, нм, збідн.тв.розчин
		I ст.	II ст.	I ст. (c')	II ст. (c")	I ст. (F')	II ст. (F")
0	0,49389
1,71	0,49382
5,15	0,49359	0,49376		2,487		85,7
7,60	0,49348	0,49366	0,49377	4,522	2,250	65,4	96,3
10,03	0,49339	0,49360	0,49376	5,609	2,487	55,4	94,4
12,38	0,49328	0,49360	0,49376	5,609	2,487	65,5	85,7
14,73	0,49314	0,49350	0,49359	7,522	5,870	56,8	79,8*
19,22	0,49295	0,49355	0,49368	6,150	4,134	68,1	87,8*
23,55	0,49269	0,49360	0,49376	5,609	2,487	83,4	97,9

* Після третинної коміркової реакції F у цих сплавах складає 96,5 і 97,4 %, відповідно.

Міжплатівкову відстань (l) визначали методом кількісної металографії. Позаяк у загальному випадку спостерігається не істинне, а спостережуване (l_a) значення міжплатівкової відстані, що є більшим істинного і визначається кутом перерізу комірки поверхнею металографічного шліфа. Одержано залежності l_a(n_a) (приклади наведено на рис. 3), де n_a - кількість значень l_a на площині металографічного шліфа. Істинне значення міжплатівкової відстані дає перетин прямої, яка описує цю залежність, з віссю координат. Результати досліджень співставлено з літературними даними на залежності l від концентрації олова у сплавах Pb-Sn (рис. 5), що аналітично записується як:

. (3)

З виразу для швидкості росту комірок

v = 4лD_b/l² [9]

за експериментальними величинами v та l визначено коефіцієнти дифузії атомів Sn (D_b) рухомим фронтом коміркової реакції у досліджуваних сплавах:

.(4)

л - товщина фронту комірки (0,5 нм).

Концентраційну залежність величини лD_b наведено на рис. 6, яка аналітично записується як:

.(5)

Металографічними та рентґенівськими дослідженнями загальної кінетики коміркового розпаду твердих розчинів Pb-Sn встановлено, що величина перетвореного об'єму як унаслідок первинної:

,(6)

так і вторинної реакції:

,(7)

залежить від вмісту Sn у сплаві (табл. 2) і описується кривою з мінімумом близько 14,5 ат. % Sn, що відповідає =57% (рис. 7) для первинної реакції. Літературні дані з задовільно вкладаються на цю залежність. Аналітично концентраційні залежності та записуються як:

,(8)

.(9)

Концентраційну залежність перетвореного об'єму в ході вторинної реакції одержано у даній роботі вперше. Як видно з рис. 7, вона подібна залежності для первинної реакції. Характерний хід обох залежностей F від c₀, який визначається не лише кінетичними, а й термодинамічними параметрами, буде пояснено нижче.

До головних термодинамічних параметрів належать: загальна зміна вільної енергії системи внаслідок розпаду твердого розчину (ДG), зміна вільної хімічної енергії системи унаслідок цілковитого розпаду моля пересиченого твердого розчину (ДG_х^о), зміна вільної хімічної енергії системи (ДG_х), зміна вільної енергії поверхні розмежування фаз у комірці (ДG_у). За спрощеною схемою загальну зміну вільної енергії системи внаслідок розпаду твердого розчину можна записати як:

- ДG = - ДG_х + ДG_у.(10)

ДG_х^о визначається співвідношенням:

ДG_х^о = - RT { х_о ln (х_о/ х_l) + (1 - х_о)ln[(1 - х_о)/ (1 - х_l)]},(11)

де х_о та х_l - атомні частки олова у пересиченому і рівноважному твердих розчинах. Позаяк за коміркового розпаду пересичення твердого розчину не вичерпується остаточно:

ДG_х = ДG_х^о (1 - u²).(12)

Тут u = (x_c - x_l)/(x_o - x_l), де x_c - атомна частка олова у збідненому твердому розчині комірки. ДG_у визначається як:

ДG_у = 2уV_M/l,(13)

де у - питома енергія некогерентної поверхні розмежування фаз (позаяк для чистого олова за 496 К у = 0,164 Дж/м² [10], а зі зростанням вмісту легуючого елементу дана величина зменшується, тому для наших сплавів взято значення 0,135 Дж/м²); V_M - молярний об'єм сплаву (залежно від вмісту олова змінюється від 1,7978·10^-5 до 1,8137·10^-5 м³/ моль). За одержаними з (10, 12, 13) величинами термодинамічних параметрів , , (рис. 8) побудовано їхні концентраційні залежності, які, відповідно, описуються такими рівняннями:

;(14)

;(15)

.(16)

У четвертому розділі „Параметри меж зерен, якими визначається їхня здатність до ініціювання коміркового розпаду” розглянуто величини, які власне визначають здатність меж зерен до ініціювання та розвитку коміркового розпаду пересичених твердих розчинів. Такими параметрами є: рухливість меж зерен (М) та сеґреґаційний фактор (s).

Взявши до уваги величину v та зміну вільної енергії системи за коміркового розпаду твердого розчину чи за коміркового розчинення його продуктів рухливість можна визначити зі співвідношення

.(17)

Ініціювання та розвиток коміркового розпаду пересичених твердих розчинів залежать не лише від рухливості меж зерен, але й від наявності стабільних сеґреґацій атомів розчиненого елементу на цих межах. З рівняння Горнбоґена [11] v = - 8ДGsлD_b/ (RTl²) знаходимо

sлD_b = -v RTl²/(8ДG). (18)

Різниця між значеннями sD_b, одержаними з (18) і D_b _ з рівняння (4) дає величину сеґреґаційного фактора s.

Ці дві важливі кінетичні характеристики коміркового розпаду М та s, так би мовити, працюють в парі. З експериментів, виконаних на сплавах Pb-Sn, видно, що спочатку величина перетвореного об'єму спадає з підвищенням концентрації, позаяк превалює вплив падіння сеґреґаційного фактора, а надалі з відчутним підвищенням рухливості меж зерен, супроводжуваним подальшим падінням s, починає зростати (рис. 9). Саме цим і пояснюється характерний хід концентраційних залежностей величини перетвореного об'єму і локалізації їхнього мінімуму (рис. 7). Аналітичні концентраційні залежності для М та s наступні:

, (19)

. (20)

Результати числених досліджень свідчать, що здатність до ініціювання коміркового розпаду є вельми чутливою до величини кута розорієнтації межи зерна. За нашими даними та відповідним опрацюванням результатів [12], де не було виявлено чіткої залежності величини просування фронту комірки (L_m) від кута розорієнтації межи зерна у сплаві Ni _ 11,3 ат.% Be, було показано, що така залежність існує, як у декартових (рис. 10), так і в полярних (рис. 11) координатах.

Як видно з рис. 10 і 11, максимум величини просування фронту комірки припадає на кут розорієнтації меж зерен близько 36є.

В п'ятому розділі „Подрібнення зеренної структури унаслідок багаторазового циклічного термооброблення за схемою „комірковий розпад - сталоплинне розчинення” подано результати дослідження циклічного термооброблення типу „комірковий розпад пересиченого твердого розчину _ сталоплинне розчинення його продуктів”. Відомо, що в такий спосіб можна подрібнювати зеренну структуру, внаслідок чого поліпшується комплекс фізико-механічних властивостей сплавів, які старіють за комірковим механізмом. Один цикл такого термооброблення складався з двох етапів: зістарювання сплаву за комірковим механізмом (старіння відбувалося за температури 948 К до цілковитого розпаду твердого розчину) та наступного розчинення за сталоплинним механізмом продуктів випадання з твердого розчину.

Одначе, подрібнення зеренної структури за схемою „комірковий розпад - розчинення його продуктів” вимагає чіткого визначення температурного інтервалу термооброблення на розчинення.

Так, скажімо, розчинення продуктів коміркого розпаду у сплаві Cu - 5,7 % ат. Ti в інтервалі температур 1090 - 1140 К відбувається за несталоплинним механізмом і контролюється дифузією фронтом комірки. Тому після розчинення практично відновлюється вихідна зеренна структура. Для введення у дію сталоплинного механізму розчинення належало підвищити температуру оброблення сплаву на розчинення, тобто створити умови, коли процес починає контролюватися переважно об'ємною дифузією. Це відбувається вже за температури 1170 К. За сталоплинного механізму розчинення, зворотній рух фронтів комірок, характерний для коміркового розчинення, практично відсутній, тобто фронти комірок стаціонарні. А тому в результаті операції циклічного оброблення відбувалося подрібнення вихідного зерна на стільки фраґментів - скільки в ньому утворилося комірок.

Вимірюванням розміру зерен після кожної операції „старіння-розчинення” встановлено істотне їхнє подрібнення. Залежність середнього розміру зерен (d), утворених після кожного з циклів, наведено на рис. 12. Аналітична залежність d від кількості циклів (n) описується рівнянням:

. (21)

Таким чином, у процесі циклічного термічного оброблення розмір зерен зменшився від 90·10^-5 м до 2,5·10^-5 м, тобто за 5 циклів маємо подрібнення зеренної структури у понад 35 разів. Ефект цілком відчутний. Але зазначимо, що ефективність кожного наступного циклу термооброблення спадає.

Спадання ефективності кожного наступного циклу, напевне, пов'язане з зміною структури меж зерен, що спричиняє втрату ними здатності до утворення нових платівок.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. В роботі вперше одержано комплекс кінетичних та термодинамічних параметрів коміркового розпаду твердих розчинів свинець-олово та їхні концентраційні залежності для усього інтервалу гомогенних розчинів зазначеної системи.

2. Вперше за величинами рухливості меж зерен та сеґреґаційного фактора, розрахованими на підставі кінетико-термодинамічних параметрів, дано фізичне пояснення концентраційних залежностей загальної кінетики як первинної, так і вторинної коміркової реакції в сплавах свинець-олово.

3. Рухливість меж зерен, а, отже, ступінь ефективності цих меж щодо ініціації коміркового розпаду твердого розчину істотно залежить від кута їхньої розорієнтації. Максимум рухливості припадає на кут 36є.

4. Циклічним термообробленням „комірковий розпад твердого розчину - сталоплинне розчинення його продуктів” досягнено зменшення вихідного розміру зерна від 90·10^-5 м до 2,5·10^-5 м, тобто протягом п'яти циклів одержано понад 35-кратне подрібнення зеренної структури у сплаві мідь - 5,7 ат.% титан. Спадання ефективності наступних циклів зазначеного термооброблення щодо фраґментації зеренної структури пов'язане, зокрема, зі зміною структури меж зерен.

Основні положення дисертації викладені у публікаціях

1. Бондаренко Ю. О., Вороніна Н. Ф., Ляшенко Ю. О., Шматко О. А. Кінетичні та термодинамічні параметри розпаду твердих розчинів Pb-Sn // Науковий Вісник Ужгородського університету, 2007, №21. С. 17-24.

2. Бондаренко Ю. О., Шматко О. А. Кінетичні та термодинамічні параметри старіння сплавів Co-Al // Вісник Черкаського національного університету, 2007, №114. С. 5-10.

3. Бондаренко Ю. О., Титаренко О. В., Шматко О. А. Вплив циклічного термооброблення „розпад - розчинення” на структуру стопу Cu_5,7% ат. Ті // Металофізика та новітні технології, 2008, №3. С. 397-399.

4. Бондаренко Ю. О., Клімов А. М., Шматко О. А. Кінетичні та термодинамічні параметри старіння сплавів Co-W // Вісник Львівського університету, 2008, №42. С. 272-278.

5. Гаценко Т. С., Бондаренко Ю. О., Шматко О. А. Кінетичні та термодинамічні параметри коміркового розпаду твердих розчинів Cu _ Ті // Металофізика та новітні технології, 2008, №30. С. 337-346.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Tu K. N., Turnbull D. Morfology of Cellular Precipitation of Tin from Lead-Tin Bicrystals. I. // Acta. Met., 1967, v.15, N.2. P. 369-376.

2. Tu K. N., Turnbull D. Morfology of Cellular Precipitation of Tin from Lead in Bicrystals. II. // Acta. Met., 1967, v.15, N.8. P. 1317-1323.

3. Tu K. N., Turnbull D. Morfology and Structure of Tin Lamellae Formed by Cellular Precipitation // Acta. Met., 1969, v.17, N.10. P. 1263-1279.

4. Афанасьев Н. И., Елсукова Т. Ф. Особенности старения сплавов свинец-олово и экспериментальная проверка теории прерывистого распада // ФММ, 1982, т.53, №2. C. 341-345.

5. Turnbull D, Treaftis H. N. Kinetics of Precipitation of Tin from Lead-Tin Solid Solutions // Acta Met., 1955, v.3, N.1. P. 43-54.

6. Liu Y. C., Aaronson H. I. Kinetics of the cellular reaction in oriented bicrystals of Pb-7% Sn // Acta Met., 1968, v.16, N.11, p.1343-1358.

7. Manna I., Bala P.K., Ray K., Pabi S.K. Estimation of Arrhenius Parameters of Grain Boundary Chemical Diffusion of Sn in a Pb - 9.87 at.% Sn Alloy Through Kinetic Analysis of Discontinuous Precipitation // Zs. Metallkde., 1995, v. 86, N. 6. P. 401-404.

8. Нодзато Р., Про випадання олова з твердого розчину Pb-Sn. I. Вимірювання питомої теплоємності сплаву Pb - 10% Sn, зістареного за кімнатної температури. Мікроструктурні дослідження процесу старіння. _ Hіxoн кіндзоку ґаккайсі // J. Jap. Inst. Metalls, 1956, v. 20, N. 6. P. 351-355.

9. Aaronson H. I., Liu Y. C. On the Turnbull and the Cahn theories of the cellular precipitation // Scr. Met., 1968, v.2, N.1. P. 1-8.

10. Коваль Ю.М., Безуглий А.М., Дідик М.І., Зайцева Н.В., Шматко О.А., Структура і стадійність старіняя сплавів свинець-олово // Доповіді НАН України, 2004, № 2. C. 102-104.

11. Petermann J., Hornbogen E. Drei Mechanismen der Ausscheidung in Blei-Natrium-Mischkristallen // Zs. Metallkunde, 1968, v.59, N.11. P. 814-822.

12. Лариков Л. Н., Боримская С. Т. О влиянии угла разориентации зерен на кинетику ячеистого распада в сплаве никель-бериллий. // Металлофизика, 1988, т.10, №3. C. 105-106.

АНОТАЦІЇ

Бондаренко Ю. О. Фізичні закономірності коміркового розпаду твердих розчинів на основі свинцю та міді. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.13 - фізика металів. - Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, Київ, 2009 р.

Дисертацію присвячено дослідженням кінетичних та термодинамічних параметрів коміркового розпаду пересичених твердих розчинів для усього інтервалу гомогенних пересичених твердих розчинів олова у свинцю та впливу циклічного термооброблення за схемою „комірковий розпад - сталоплинне розчинення” на зеренну структуру сплаву. Дослідження проведено методами: рентґено-структурного аналізу та оптичної мікроскопії. Визначено параметр ґратниці, концентрацію збідненого твердого розчину у платівках колоній коміркового розпаду, міжплатівкову відстань, швидкість міґрації фронту коміркової реакції, загальну зміну вільної енергії системи внаслідок розпаду твердого розчину, зміну вільної хімічної енергії системи унаслідок цілковитого розпаду моля пересиченого твердого розчину, зміну вільної енергії поверхні розмежування фаз у комірці, величини рухливості межи зерна, сереґаційного фактора для усього інтервалу гомогенних пересичених твердих розчинів олова у свинцю. Виявлено, що для сплавів Pb-Sn характерні концентраційні залежності величини перетвореного об'єму з мінімумом, локалізованим в районі 14-15 ат. % Sn (як для первинної так і вторинної коміркових реакцій). Такий хід цих залежностей пояснено одночасним впливом двох факторів: рухливості меж зерен та сеґреґаційного фактора. Початкове спадання величини перетвореного об'єму з підвищенням концентрації пов'язане з переважним впливом зменшення сеґреґаційного фактора, а по досягненні мінімуму - з відчутним підвищенням рухливості меж зерен і подальшим падінням величини сеґреґаційного фактора, що зумовлює зростання перетвореного об'єму. На сплаві Ni - 11,3 ат.% Be показано чітку залежність здатності меж зерен до ініціювання та розвитку коміркової реакції від величини кута розорієнтації межи зерна.

У сплаві Cu - 5,7 ат.% Ti досягнено подрібнення вихідного зерна у понад 35 разів унаслідок п'ятикратного циклічного термооброблення „комірковий розпад твердого розчину - сталоплинне розчинення його продуктів”.

Ключові слова: термооброблення, комірковий розпад, розчинення продуктів розпаду, кінетичні та термодинамічні параметри.

Бондаренко Ю. А. Физические закономерности ячеистого распада твердых растворов на основе свинца и меди. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.13 - физика металлов. - Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, Киев, 2009 г.

В работе представлены результаты исследований кинетических и термодинамических параметров ячеистого распада пересыщенных твёрдых растворов во всем интервале гомогенных пересыщенных твёрдых растворов олова в свинце, а также исследования влияния циклической термообработки „ячеистый распад - непрерывистое растворение” на зеренную структуру сплава. В работе были использованы методы рентгено-структурного анализа и оптической микроскопии. Обнаружено, что для сплавов Pb-Sn характерны концентрационные зависимости превращенного объема с минимумом, локализированным приблизительно в зоне 14-15 ат. % Sn (как для первичного так и вторичной ячеистых реакций). Причиной этого есть влияние двух факторов: подвижности границ зерен и сегрегационного фактора. Начальное снижение превращенного объема с увеличением концентрации связано с превалирующим влиянием уменьшения сегрегационного фактора, а по достижении минимума - с ощутимым ростом подвижности границ зерен и продолжающимся уменьшением величины сегрегационного фактора, что определяет рост превращенного объема. На сплаве Ni _ 11,3 ат.% Be показано четкую зависимость способности границ зерен к инициированию и развитию ячеистой реакции от значения угла разориентации границы зерна.

В сплаве медь - 5,7 ат.% титан достигнуто измельчение исходного зерна в больше чем 35 раз вследствии пятикратной циклической термообработки „ячеистый распад твердого раствора - непрерывное растворение его продуктов”.

Ключевые слова: термообработка, ячеистый распад, растворение продуктов распада, кинетические и термодинамические параметры.

Bondarenko Yu. O. Physical regularities of cellular precipitation of solid solutions based on Pb and Cu. Manuscript.

Thesis of candidate's degree on physical and mathematical sciences, speciality 01.04.13 - physics of metals, Kurdumov's Institute for Metal Physics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2009.

Thesis deals with kinetic and thermodynamic parameters of cellular precipitation of supersaturated solid solutions for the whole interval of Pb-Sn homogeneous supersaturated solid solutions. Cyclic thermal treatment influence of “cellular precipitation - continuous dissolution” model was investigated on grain alloy structure. X-ray analysis and optical microscopy methods were applied for those investigations. It is shown, that concentrations dependences (for first and secondary cellular precipitation; and besides for II - it was done for the first time) of modified volume value with minimum at 14-15 at. % Sn. Reason of it has been explained by simultaneous influence of two factors: grain boundary mobility and segregation factor. Initial decreasing of modified volume value during concentration increasing was caused with predominated influence of segregation factor decreasing. After dependence minimum we observed grain boundary mobility increasing and segregation factor was low, and it was reason of modified volume value growth. Well-defined dependence of grain boundary possibility was shown for initiation and progress of cellular reaction versus grain boundary disorientation angle in Ni _ 11,3 at.% Be alloy.

It is established, that initial grain size was milled in more than 35 times by the use of 5 times cyclic thermal treatment of “cellular precipitation - continuous dissolution” model in Cu-5.7 at. % Ti alloy.

Keywords: thermal treatment, cellular precipitation, dissolution of precipitation products, kinetic and thermodynamic parameters.

Размещено на Allbest.ru

...