Влияние электромагнитных полей на фазовый состав и структуру жидко-твердых сплавов с различной проводимостью твердых включений

На правах рукописи

Афашоков Владимир Зейтунович

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И СТРУКТУРУ

ЖИДКО-ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ С РАЗЛИЧНОЙ

ПРОВОДИМОСТЬЮ ТВЕРДЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ

01.04.07 – физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Нальчик – 2011

Работа выполнена на кафедре физики наносистем Кабардино-Бал­кар­ского государственного университета им. Х.М. Бербекова

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Ахкубеков Анатолий Амишевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Куприянов Михаил Федотович

доктор физико-математических наук,

профессор Калажоков Хамидби Хажисмелович

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный

университет им. Б.Н.Ельцина»,

г. Екатеринбург

Защита состоится 5 июля 2011 года в 1700 часов на заседании диссертационного совета Д.212.076.02 в Кабардино-Балкарском государственном университете им. Х.М. Бербекова по адресу: 360004, КБР, г. Нальчик,
ул. Чернышевского, 173, зал заседаний диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кабардино-Балкар­ского государственного университета.

Текст автореферата размещен на официальном сайте Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова 3 июня 2011 г. http://kbsu.ru

Автореферат разослан 4 июня 2011 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета А.А. Ахкубеков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В последние десятилетия интерес к исследованию и практическому применению сплавов в двухфазном состоянии растет из года в год. Жидко-твердое состояние сплава используется в различных областях промышленности: при рафинировании металлических сплавов из их отходов, для изготовления порошков, а также припоев используемых при пайке многоточечных неразъемных соединений в микроэлектронике и радиотехнике. Литье и штамповка легких сплавов в жидко-твердом и твердо-жидком состоянии стали определяющими технологиями в развитии заготовительных производств в мировом автомобилестроении. В технологии неразъемного соединения деталей широкое применение нашла контактно-реактивная пайка, в процессе которой некоторые авторы используют именно жидко-твердое состояние сплава.

Практическая значимость жидко-твердых (тиксотропных) сплавов вызывает неослабевающий интерес к изучению процессов, происходящих в этих сплавах, особенно исследованию влияния внешних воздействий на их параметры.

Эффективными способами воздействия на металлические расплавы являются пропускание постоянного электрического тока, создающего собственное магнитное поле, и приложение внешнего магнитного поля. Управление потоками ионов в металлах и полупроводниках дает возможность для их глубокой очистки от примесей, концентрирования микропримесей и разделения изотопов, выращивания монокристаллов и эпитаксиальных слоев металлов, интерметаллических и полупроводниковых соединений.

К настоящему времени практически неизученными остаются вопросы о влиянии внешних факторов на механизмы фазообразования в жидко-твердых сплавах с различным типом проводимости твердых включений. Дискуссионным остается вопрос о том, в какой момент при плавлении сплавов (кристаллов) образуются твердоподобные кластеры, обнаруживаемые многими авторами в результате электронно-микроскопических и фотоэлектронных данных. Нет однозначного ответа и на механизм формирования твердых включений в сплавах, находящихся в жидко-твердом состоянии. Таким образом, изучение процессов, происходящих в сплавах, находящихся в жидко-твердом состоянии, весьма актуально.

Цель работы: установление общих закономерностей влияния электромагнитных полей на фазообразование в жидко-твердых сплавах бинарных металлических систем с различной проводимостью твердых включений.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние постоянного электрического тока (ПЭТ) на фазообразование в жидко-твердых сплавах бинарных металлических системах Bi-Cd, Bi-In, Bi-Sn, Pb-Sn, Bi-Pb.

2. Изучить температурно-концентрационные и временные изменения в исследуемых объектах как в поле силы тяжести, так и при электромагнитном воздействии.

3. Изучить влияние ПЭТ и внешнего магнитного поля на микроструктуру жидко-твердых сплавов бинарных систем с полупроводниковыми и ферромагнитными твердыми включениями (In-Ge, In-Ni).

4. Исследовать полученные сплавы методами микротвердости, электронно-зондового микроанализа (ЭЗМА) и рентгеновской дифрактометрии.

Объекты исследования

Объектами исследования являлись бинарные системы: Bi-Cd, Bi-Sn, Pb-Sn, Bi-In, Bi-Pb, In-Ge, In-Ni.

Научная новизна

1. Впервые проведены исследования влияния электромагнитных полей на микроструктуру жидко-твердых сплавов бинарных металлических систем с полупроводниковыми и ферромагнитными твердыми включениями (In-Ge, In-Ni). Обнаружено изменение структуры образцов, подвергнутых электромагнитной обработке по-сравнению со структурой образца без внешних воздействий.
2. Впервые проведены исследования температурно-концентра­цион­ных и временных изменений микроструктуры исследуемых объектов. Установлено значительное влияние электромагнитных полей на структуру и фазовый состав исследованных жидко-твердых сплавов.
3. Впервые проведено исследование фазообразования в жидко-твердых сплавах с переменой полярности тока на образцах. Обнаружено, что в системе Bi-Cd после образования конгломерата на аноде, перемена полярности ведет к значительным изменениям структуры закристаллизованных сплавов.

Практическая значимость

• жидко-твердое состояние сплавов совместно с пропусканием постоянного электрического тока может применяться в практике рафинирования сплавов, очистки от низкопроводящих включений и получения металлических или полупроводниковых (моно-) кристаллов;
• результаты исследований влияния электромагнитных воздействий на жидко-твердые сплавы могут быть использованы для интенсификации процессов плавления (растворения) в процессах пайки и для совершенствования структуры и фазового состава сплавов и зон пайки при неразъемном соединении разнородных материалов.

На защиту выносятся:

• экспериментальное подтверждение предела выполнимости выражения И.М. Лифшица и В.В. Слезова для зависимости роста частиц от времени в жидко-твердых сплавах;
• результаты экспериментов по изучению температурно-концентраци­он­ных и временных зависимостей структурного состояния исследуемых сплавов;
• результаты одновременного влияния ПЭТ и внешнего магнитного поля на микроструктуру жидко-твердых сплавов с полупроводниковыми и ферромагнитными твердыми включениями.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на II Международном семинаре «Теплофизические свойства веществ (жидкие металлы и сплавы, наносистемы)», п. Эльбрус (2006), I Международном Междисциплинарном симпозиуме «Плавление и кристаллизация металлов и оксидов», п. Лоо (2007), IV Российской конференции «Физические свойства металлов и сплавов», г. Екатеринбург (2007), I Международном Междисциплинарном симпозиуме «Физика низкоразмерных систем и поверхностей», п. Лоо (2008), II Международном Междисциплинарном симпозиуме «Плавление и кристаллизация металлов и оксидов», п. Лоо (2009), XVI Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (г. Волгоград, 2010), II Международном Междисциплинарном симпозиуме «Физика низкоразмерных систем и поверхностей», п. Лоо (2010), а также на научных конференциях и семинарах физического факультета Кабардино-Балкарского государственного университета (г. Нальчик, 2006-2011 гг.).

Основные этапы работы составили содержание исследовательских проектов, подтвержденных проектом в рамках программы «УМНИК», а также гранта РФИИ 06-08-96801-р_юг_офи.

Достоверность результатов, полученных в данной работе, определяется применением современных экспериментальных методик, воспроизводимостью результатов, согласованностью данных, полученных экспериментально, с теоретическими оценками, а также имеющимися литературными данными.

Личный вклад автора. В диссертации приводятся результаты в основном полученные лично автором. Цели и задачи исследования сформулированы научным руководителем проф. А.А. Ахкубековым. Он же принимал участие в выборе объектов исследования, обсуждении результатов, написании статей. Рентгенодифракционные исследования образцов проведены на базе физического факультета ЮФУ.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 16 работ, из которых 4 в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, основных выводов. Изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц, 54 рисунка и спискок литературы.

Основное содержание работы

Во введении дается обоснование актуальности темы, формулируются цель и задачи диссертационной работы, описана научная и практическая значимость результатов.

В первой главе приводится анализ литературных данных по теме диссертации.

Здесь же проведен анализ существующих взглядов на природу и механизм электротранспорта включений различной природы в матрице. Сделан вывод о том, что в различных системах процесс может протекать по-разному.

В заключительной части первой главы проведен анализ работ по влиянию электропереноса на структуру и фазовый состав бинарных сплавов. Электроперенос влияет на кинетику растворения-кристаллизации включений в расплавах, что во многом определяет структуру и свойства сплавов. Поэтому пропускание электрического тока при определенных условиях вызывает существенные изменения кинетики фазообразования и перераспределения компонентов металлических расплавов.

Во второй главе излагаются методика и результаты исследований влияния электромагнитных воздействий на процессы массопереноса и фазообразование в бинарных эвтектических системах, представляющие собой жидкие металлические матрицы–низкоразмерные частицы (жидко-твердый сплав), и обсуждаются возможные причины наблюдаемых эффектов.

Объектами исследований служили сплавы в жидко-твердом состоянии, когда первичные кристаллы отделены друг от друга жидкой фазой. Оно реализуется в интервале температур между солидусом и ликвидусом при содержании твердой фазы . При определенной температуре состояние жидко-твердого сплава данной концентрации является близким к равновесному. Такое состояние сплава чувствительно к внешним воздействиям, что может быть использовано для изучения эволюций, происходящих в такой гетерофазной системе под действием различных внешних факторов (электрического и магнитного полей, механического и др. воздействий).

Влияние ПЭТ на фазообразование в жидко-твердых сплавах исследовалось нами в широком временном и концентрационном интервалах для системы Bi-Cd, а также в системах Bi-Sn, Pb-Sn, Bi-In, In-Ge, In-Ni. Для каждого из исследованных сплавов проводилось от 3 до 5 серий многочасовых экспериментов.

Система Bi-Cd оказалась весьма удобным объектом при решении задач определяемых темой диссертационного исследования. Она характеризуется незначительной растворимостью компонентов в твердом состоянии, небольшой разницей в плотностях при нормальных условиях: Bi =9800 кг/м3, Cd =8640 кг/м3 и существенным различием эффективных зарядов Z*Bi = –13.0, Z*Cd = 1.36 [1].

Эксперименты проводились при различных временах выдержки (от
6 до 48 часов) при Tопыта=423 К. Высота и диаметр образцов составляли
(10-12) мм и (2,5-2,6) мм соответственно. После кристаллизации готовились шлифы образцов и проводился анализ различными методами (металлографический, рентгеноструктурный, микротвердости и т.д.).

На рис.1 приведены фото микроструктур жидко-твердого сплава Bi+ 44ат. % Cd в бестоковом варианте опыта.

Как видно из рис. 1, со временем происходит увеличение средних размеров частиц в режиме уменьшения их количества (рис. 1(б-е)).

а)	б)	в)	г)	д)	е)	ж)	з)	и)

Рис. 1. Структуры сплава Вi+ 44 % Cd:

а) исходный; б) оп = 6 ч; в) оп = 12ч; г) оп = 15 ч; д) оп = 24 ч;

е) оп = 30 ч; ж) оп = 36 ч; з) оп = 42 ч; и) оп = 48 ч, j = 0

Очевидно, на этом отрезке времени опыта имеет место процесс диффузионной коалесценции (по терминологии И.М. Лифшица, В.В. Слезова [2]), когда частицы с R< Rкр (Rкр – критический размер частиц) растворяются, а частицы с R > Rкр растут.

Анализ полученных структур указывает на то, что, начиная с определенного момента времени (примерно через 32-33 часа после начала опыта) наблюдается заметное осаждение твердых частиц.

По нашему мнению, это свидетельствует о существовании некоторого предельного размера частиц в сплаве, после которого они достигают такой массы, что сила тяжести превалирует над силами Архимеда и внутреннего трения, и начинается процесс седиментации.

Зависимость среднего размера частиц, вычисленных методом случайных секущих, исследованного сплава Bi + 44 % Cd от времени (см. рис. 1 (б-и)) приведена на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость среднего размера частиц

от длительности опыта (j = 0)

Как известно, металлические сплавы в жидко-твердом состоянии являются удобным объектом для исследования коагуляции (коалесценции) и сопоставления полученных данных с теорией. Быстрая поверхностная и объемная кинетика диффузионных процессов в таких системах позволяет изучать коагуляцию (коалесценцию) в широком интервале изменения размеров коагулирующих (коалесцирующих) частиц. Подобные исследования, представляя интерес с точки зрения теории фазообразования в системах с высокой объемной долей растущей фазы, имеют и самостоятельное значение.

Аппроксимация полученных данных (рис. 2) в среде OriginPro методом наименьших квадратов показала, что выражение для коалесценции R3() = R03 + k · (R0 – размер зерна в момент времени = 0, т.е. размер критического зародыша, k – коэффициент коалесценции), полученное И.М. Лифшицем и В.В. Слезовым [2], справедливо для экспериментов длительностью до 30 часов. В результате расчетов получено: R0 = 3,03 · 10-6м, k = 0,12 · 10-20м3/с. С началом седиментации ( > 30 час) рост частиц замедляется, зависимость R() становится нелинейной. По нашему мнению, это связано это с тем, что используемое соотношение было получено при условии неподвижности коалесцирующих частиц и их бесконечного роста.

При пропускании через жидко-твердый сплав постоянного тока процессы растворения и перемещения твердых частиц значительно ускоряются. На рис. 3, 4 изображены структуры сплавов Вi+44 ат. % Cd, полученных при противоположных направлениях тока через 648 часов эксперимента и кристаллизации при комнатной температуре. Плотность тока j в экспериментах не превышала 106 А/м2 для предотвращения электроконвекции и уменьшения джоулева тепловыделения.

Как видно из рис. 3, 4 (а-ж), ПЭТ интенсифицирует процесс коалесценции твердых включений в жидко-твердом сплаве (ср. с рис. 1 (б-е)) до такой степени, что уже через 6 часов опыта на аноде образуется компактный слой Bi. При 15 час в сплаве практически полностью исчезают отдельные твердые частицы; по сути, происходит электрофоретическая «очистка» сплава от твердофазных включений.

а)	б)	в)	г)	д)	е)	ж)	з)

Рис. 3. Структуры сплава Вi+44 % Cd, j=5105А/м2:

а) оп = 6 ч; б) оп = 12 ч; в) оп = 15 ч; г) оп = 24 ч;

д) оп = 30 ч; е) оп = 36 ч; ж) оп = 42 ч; з) оп=48 ч

а)	б)	в)	г)	д)	е)	ж)	з)

Рис. 4. Структуры сплава Вi+44 % Cd, j = 5105 А/м2:

а) оп = 6 ч; б) оп = 12 ч; в) оп = 15 ч; г) оп = 24 ч;

д) оп = 30 ч; е) оп = 36 ч; ж) оп = 42 ч; з) оп = 48 ч

Результаты влияния ПЭТ, приведенные на рис. 4 (а-ж), в определенном смысле уникальны. Они заключаются в том, что частицы твердого раствора Bi как более тяжелые должны были «тонуть» в жидком сплаве (скапливаться у нижнего электрода). Однако эксперимент показал противоположное (ср. рис. 1 и рис. 4).

На рис. 3 (з), 4 (з) приведены структуры сплавов, полученных в результате 48-часового опыта, в котором через 24 часа после его начала была изменена полярность пропускаемого тока. В образце, изображенном на рис. 4 (з), вследствие изменения полярности тока компактный слой висмута образуется на нижнем электроде (ср. с рис. 4 (ж)), а на верхнем электроде выделяется тонкий слой кадмия. В образце, изображенном на рис. 3 (з), после изменения полярности наблюдается фрагментация первоначально сплошного слоя висмута (ср. с рис. 3 (ж)).

Говоря о механизме формирования компактных слоев висмута в обоих вариантах опыта (рис. 3 и 4) можно предположить, что происходит поионный перенос компонентов расплава. Об этом свидетельствует сплошность компактных слоев рис. 3 (г-ж) и рис. 4 (в-ж), хотя неисключен перенос отдельных частиц определенного размера. Подтверждением сказанному являются результаты влияния ПЭТ при «разборке» сформировавшегося компактного слоя (ср. рис. 4 (з) и рис. 3 (з)).

Образование слоев висмута на аноде обусловлено концентрационным пересыщением прианодной области ионами Bi вследствие электропереноса (ЭП). Это пересыщение достигается за относительно небольшой промежуток времени ввиду значительной разницы эффективных зарядов (Z*i) ионов Bi и Cd. Поскольку эффективный заряд ионов Cd почти на порядок меньше Z*Bi, то для соответствующего пересыщения и образования слоя Cd необходима бльшая длительность эксперимента.

Следует учитывать, что определенный вклад в описанные выше процессы может оказать избирательное влияние тока на ионы отдельных компонентов, что означает конкуренцию двух сил: электронного ветра и кулоновского взаимодействия. Определенную роль играют силы, возникающие за счет различия проводимостей частиц и окружающего расплава и сил магнитогидродинамической природы.

Наличие каналов в слое висмута (рис. 3 (а, б) и рис. 4 б-г), на наш взгляд, объясняется действием пондермоторной электромагнитной силы [3] на первичные кристаллы Bi, возникающие при пересыщении прианодной области. Эти кристаллы смещаются силой к краям образца, поскольку их проводимость ниже проводимости окружающего сплава.

Как известно [3], если по жидкому цилиндрическому проводнику течет равномерно распределенный ток плотностью jz = const, то он индуцирует азимутальное магнитное поле (в соответствии с законом полного тока: ).

Взаимодействие тока jz с собственным магнитным полем создает электромагнитную силу fe плотностью . Эта сила потенциальна () и уравновешивается соответствующим градиентом давления в проводнике. Движение жидкости отсутствует. Однако если в жидкости находятся твердые частицы, на них будет действовать сила и они могут придти в движение.

В случае диэлектрических частиц сила направлена по радиусу от центра образца к периферии.

Если частица электропроводна, то часть тока jz проходит и по ней. Взаимодействие этого тока с собственным магнитным полем (и с полем тока в жидкости если тело не находится на оси симметрии) порождает электромагнитную силу, приложенную уже к элементам тела.

В зависимости от характера распределения тока в частице, зависящего от ее формы и проводимости, частица ведет себя по-разному в токонесущей жидкости. Так, проводящее тело, имеющее проводимость т < ж независимо от направления тока в проводнике будет вести себя так же как диэлектрическое: смещаться по радиусу от центра проводника к периферии.

В случае т > ж тело будет смещаться к продольной оси проводника; для несимметричного тела возможно движение вдоль оси z.

Выражение для пондеромоторной силы, действующей на сферическое твердофазное включение в жидком проводнике, получено в работе [4]

, (1)

где т, ж, , – плотности и проводимости частицы и окружающего расплава, R0  – радиус частицы, j0 – плотность тока в расплаве, Vт – объем частицы.

К сожалению, эта формула не применима для расчета электромагнитной силы, действующей на несимметричное тело, хотя и позволяет определять ее направление.

Согласно работ [5, 6] вклад потока электропереноса (ЭП) в растворение примесей незначителен: 3-5 % – [5], примерно 3 мм/год – [6]. Как показывают результаты наших опытов, вклад электропереноса в кинетику растворения примесей в жидких металлах более существенный.

Пусть в токовом образце 1 за время t1 доля «чистой» зоны (свободной от включений) составляет х+/L, где L – длина образца, х+ – протяженность зоны без включений; в бестоковом образце 2 за время t2 доля «чистой» зоны составляет х0/L, где х0 – протяженность зоны без включений в бестоковом образце (рис. 5).

Тогда формально можно записать выражение для относительных скоростей «очистки» расплава: V1=x+/(L·t1), V2=x0/(L·t2). Отношение V1/V2=x+ t2/(x0·t1) будет характеризовать вклад электропереноса в процесс «очистки» сплава от включений. Так, например, для сплава Bi+ 44 % Cd имеем V1/V2~7 (1 – образец рис. 3(в), 2 – образец рис. 1(и)). Следовательно, относительная скорость очистки расплава от включений в 7 раз больше при наличии ЭП.

Рис. 5. Схема расчета вклада ЭП в «очистку» сплава от включений

На наш взгляд, это связано с возникновением магнитогидродинамических потоков, которые существенно ускоряют растворение и перенос висмута к аноду. Эти потоки возникают вследствие нарушения однородности распределения тока, протекающего через образец.

Таким образом, из этой серии опытов можно заключить, что под действием силы тяжести твердые частицы висмута, как более тяжелые, имеют тенденцию к седиментации. Электрический ток влияет на движение этих частиц, причем действует одинаково: висмут (Z*Bi < 0) переносится к положительному электроду за счет электропереноса. Характерным для обоих направлений тока является то, что электрический ток ускоряет растворение мелких частиц и способствует укрупнению частиц с R>Rкр (Rкр – критический размер частицы), за счет переноса массы растворенных частиц.

Также исследовано влияния ПЭТ на сплавы системы Bi–Cd: Вi + 44 ат. % Cd, Bi+55 ат. % Cd – доэвтектические и Bi + 61 ат. % Cd – заэвтектический, а также на сплав эвтектического состава Bi + 55 ат. % Cd при одинаковых временах опыта (12 час). Опыты проводились при температуре 423 К, что на 4 градуса выше эвтектической. Кристаллизация сплавов проводилась в одинаковых условиях.

На рис. 6 приведено фото структур исследуемых сплавов после 12-ча­со­вого отжига в бестоковом варианте опыта.

а)	б)	в)	г)

Рис. 6. Структуры сплавов:

а) Вi + 44 % Cd; б) Bi + 50 % Cd; в) Bi + 55 % Cd;

г) Bi + 61 % Cd, Tопыта = 423 К, оп = 12 ч, j = 0

Как видно из рис. 6(а) и 6(г), частицы твердых растворов висмута и кадмия равномерно распределены по объему образца. Длительности опыта недостаточно для начала процесса седиментации в сплавах с такой концентрацией исходных компонентов.

В сплаве Bi + 35 % Cd (рис. 6 (б)) наблюдается седиментация частиц висмута. Очевидно вязкость расплава, окружающего частицы, значительно меньше, чем в сплаве Bi + 30 % Cd, и частицы с гораздо меньшими размерами за это время переносятся в нижнюю часть образца под действием силы тяжести.

Сплав эвтектического состава (рис. 6 (в)) имеет дендритную структуру и является своего рода пограничным, до которого в расплаве выделяются частицы на основе висмута, а после – частицы на основе кадмия.

На рис. 7 изображены структуры сплавов после пропускания через них ПЭТ плотностью 5 · 105 А/м2 в течении 12 часов.

а)	б)	в)	г)

Рис. 7. Структуры сплавов: а) Bi + 44 % Cd; б) Bi + 50 % Cd;

в) Bi + 55 % Cd, г) Bi+61 % Cd, j=5·105 А/м2, Tопыта = 423 К, оп = 12 ч

Из сравнения структур сплавов на рис. 6 и 7 видно, что ПЭТ существенно интенсифицирует процессы растворения и переноса твердых частиц в расплаве. Висмут переносится к аноду, частицы кадмия – к катоду. В эвтектическом сплаве (рис. 7 (в)) проиcходит выделение обоих компонентов на электродах (висмута на аноде, кадмия на катоде).

После пропускания через образцы ПЭТ в обратном направлении (рис. 8) наблюдается аналогичная картина: компоненты, в зависимости от знака Z*, переносятся к соответствующему электроду.

а)	б)	в)	г)

Рис. 8. Структуры сплавов:

а) Bi + 44 % Cd; б) Bi + 50 % Cd; в) Bi + 55 % Cd;

г) Bi + 61 % Cd, j = 5 · 105 А/м2, Tопыта=423 К, оп = 12 ч

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: In = 7300 кг/м3, Ge = 5320 кг/м3. Удельные электропроводности – In = 11500 кСм/м, Ge = 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 Ge << In 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: In = 7300 кг/м3, Ni = 8963 кг/м3. Удельные электропроводности – In = 11500 кСм/м, Ni = 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. Бльшая 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 CdL начиная с определенного момента минимальна) (рис. 13).

Рис. 13. Распределение интенсивностей BiL и CdL

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 –2 шагового сканирования образца и детектора.

В эксперименте использовалось характеристическое рентгеновское излучение трубки с медным анодом (CuK), линия K 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

	Bi а	Bi c	Cd a	Cd c
Параметры ячейки,	4.540	11.844	2.976	5.609
Объем ячейки, 3	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,	4.544	11.838	2.974	5.611	4.548	11.865	2.979	5.618
Объем ячейки, 3	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,	4.534	11.831	2.979	5.593	4.535	11.829	2.973	5.603
Объем ячейки, 3	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

H, 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 H 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 R<Rкр (Rкр – критический размер зародыша) и роста частиц с R>Rкр за счет электродиффузионного переноса ионов расплава.
2. Показано, что выражение R3() = R03 + k ·, 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 (Ge << In).
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

360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173.