Исследование особенностей контактного плавления в системах с твердыми растворами и интерметаллидами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Взаимная диффузия при контактном плавлении в двойных металлических системах.

1.1. Эффект контактного плавления и его применение в науке и технике.

1.2. Контактное плавление в нестационарно-диффузионном режиме как метод исследования диффузии в металлических расплавах.

1.3. Методика исследования контактного плавления двойных систем в нестационарно-диффузионном режиме.

1.4. Выводы по главе 1.

Глава 2. Феноменологическое описание процесса контактного плавления в нестационарно-диффузионном режиме.

Актуальность темы.

Диссертация посвящена исследованию контактного плавления в двойных металлических системах, образующих твердые растворы и интерметаллиды.

Контактное плавление является методом физического и физико-химического исследования жидкой фазы и межфазного равновесия. Методом контактного плавления измеряют эффективные коэффициенты взаимной диффузии, парциальные коэффициенты диффузии, коэффициенты самодиффузии. Изучение концентрационного распределения компонентов в жидкой прослойке позволяет выяснить концентрационную зависимость коэффициентов диффузии, что открывает путь для изучения строения расплавов. Исследуя электроперенос в условиях контактного плавления, находят эффективные заряды компонентов. Контактное плавление является одним из методов построения диаграмм состояния различных веществ. К настоящему времени довольно полно исследовано контактное плавление между чистыми веществами. Расширение этой задачи на случай контакта твёрдых растворов приближает рассматриваемую модель к условиям, характерным для технических приложений, где сплавы применяются чаще,. чем чистые вещества. Влияние наличия промежуточных фаз и широких областей твёрдых растворов на диаграмме состояния на кинетику контактного плавления, состав диффузионной зоны в научной литературе специально не исследовано.

Известны лишь отдельные работы, в которых при решении частных задач в качестве компонентов присутствовали промежуточные фазы или твёрдые растворы. Наличие промежуточных фаз делает нетривиальным вопрос о выполнении условий квазиравновесности на межфазных границах при контактном плавлении.

Несмотря на существенное улучшение экспериментальной методики осуществления контактного плавления, в предыдущих работах принимались допущения, . не учитывающие реальные условия контактного плавления, а именно принималось линейное распределение компонентов в контактной прослойке, не учитывалось изменение объёмов при плавлении, использовались модели, которые вели к нарушению закона сохранения количества вещества. Поэтому актуальна задача теоретического исследования кинетики контактного плавления в нестационарно-диффузионном режиме.

Цель работы — исследование закономерностей концентрационного распределения компонентов в контактной прослойке при контактном плавлении в нестационарно-диффузионном режиме твёрдых растворов и интерметаллидов.

Научная новизна

1. Впервые экспериментально исследована зависимость скорости образования жидкой прослойки и отношения скоростей плавления твёрдых образцов контактной пары от концентрации твёрдого раствора на примере системы (8п+ЕН)-Ш.

2. Впервые экспериментально исследовано контактное плавление в нестационарно-диффузионном режиме интерметаллидов систем РЬ-В1 и 1п-В1.

3. Предложена новая модель контактного плавления в нестационарно-диффузионном режиме, учитывающая общее смещение контактной прослойки, происходящее вследствие объёмного эффекта плавления твёрдых образцов.

4. В рамках предложенной модели на основе законов диффузии получена система алгебраических уравнений, решение которой позволяет рассчитывать такие конкретные параметры контактного плавления в нестационарно-диффузионном режиме, как коэффициент диффузии, скорости перемещения межфазных границ, соотношение скоростей плавления компонентов, концентрационное распределение компонентов в жидкой прослойке.

5. Установлено, что ширина гомогенности жидких растворов в системах с интерметаллидами соответствует равновесным диаграммам состояния.

Научное и практическое значение.

Предложенная методика расчёта состава граничных концентраций может быть использована для изучения фазового состава диффузионных зон.

Результаты исследования контактного плавления твёрдых растворов могут быть применены для прогнозирования состава паяных швов при контактно-реактивной пайке.

Методы исследования, предложенные в работе, предполагается использовать при прохождении производственной практики, выполнения курсовых и дипломных работ студентами специальности «Физика» на кафедре физики УГТУ-УПИ.

На защиту выносятся:

1. результаты экспериментального исследования и анализ кинетики контактного плавления твёрдых растворов 8п-Ш;

2. результаты исследования фазообразования при контактном плавлении в двойных системах с перитектическими фазами, на примере систем РЬ-В1 и 1п-Вц

3. новая модель контактного плавления в нестационарно-диффузионном режиме, учитывающая объёмный эффект плавления компонентов ;

4. формулировка критерия, выполнение которого позволяет пренебречь диффузией компонентов из жидкой фазы в твёрдые при контактном плавлении.

Апробация работы. Материалы диссертационного исследования докладывались на:

2-й Уральской школе-семинаре металловедов - молодых ученых (г. Ектеринбург, 2000);

IX Национальной конференции по росту кристаллов (г.Москва 2000 г);

I Международной конференции «Металлургия и образование» (К 80-летию металлургического факультета УГТУ-УПИ) (г. Екатеринбург, 2000);

X Всероссийской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» МиШР-10. (г. Екатеринбург, 2001); Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», посвященной 90-летию со дня рождения член-корреспондента АН СССР, лауреата Государственной премии СССР Павла Владимировича Гельда. (г. Екатеринбург, 2001);

X Всероссийской конференции по теплофизическим свойствам веществ (г. Казань, 2002).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей, 3 из которых в реферируемых научных журналах, ссылки на эти публикации приведены в тексте диссертации.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав,

Основные результаты проделанной работы сводятся к следующему:

1. Разработана математическая модель кинетики контактного плавления двойных систем в нестационарно-диффузионном режиме с учётом изменения объёма вещества при плавлении.

2. Показано соответствие предложенной модели экспериментальным результатам на примере контактного плавления двойных металлических систем.

3. Впервые - на примере системы олово-висмут - изучена зависимость кинетики контактного плавления от состава одного из образцов диффузионной пары, соответствующего области твёрдых растворов. Опытным путём показано, что расчёты кинетики контактного плавления, полученные решением предложенной системы уравнений, соответствуют результатам эксперимента;

4. Разработана методика определения состава на одной из границ жидкой прослойки ■ в системах, имеющих промежуточную твёрдую фазу на диаграмме состояния. Применением этой методики к исследованию диффузионных зон систем свинец-висмут и индий висмут показано, что состав жидкой прослойки соответствует равновесной диаграмме состояния. Предложены гипотезы, объясняющие природу промежуточных твёрдых фаз в диффузионной зоне, образованной контактным плавлением чистых компонентов.

5. Разработана методика оценки концентрационной зависимости коэффициентов диффузии по результатам контактного плавления в нестационарно-диффузионном режиме, которая применена к системе олово-висмут.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Саратовкин Д.Д., Савинцев П.А. Образование жидкой фазы в месте контакта двух кристаллов составляющих эвтектическую пару .//ДАН СССР.- 1941,- т.ЗЗ,- №4.- С.303-304.

2. Саратовкин Д.Д., Савинцев П.А. Эффект контактного плавления как причина низкоплавкости эвтектик//ДАН СССР 1947 - т.58-№9.-С.1943-1944.

3. Мао Wei-min, Cui Cheng-lin, Zhao Ai-min, Sun Feng, Zhong Xue-you Dynamical coarsening proces of microstructures in non-dendritic AlSiyMg alloy remelted in semi-solid state //Trans. Nonferrous Metals Soc. China.-2000-т. 10 -№ 1.-C.-25-28.

4. Faizullin M.Z., Skripov V.P. Thermodynamic Similarity ofPhase-Separation Binary Solutions with a Lower Critical Temperature. //Phys. Chem.- 1991- B.173.- S.53-62.

5. Штейнберг A.C. Репортаж из мира сплавов.- Библиотечка «Квант» .-вып.71.- М.,- Наука.- 1989.-С.256.

6. Лашко Н.Ф., Лашко С.В. Контактные металлургические процессы при пайке М.,- Металлургия - 1977.- С.912.

7. P.N. 7335589 (France). Procede de liaison par diffusion liquide a 1 interface pour pieces en titane et alliages de ce metal/ Woodward James R./. B23P3/02.B32B3/12.- Publ.8.08,1975.

8. Городецкий A. E., Лукьянович В. M., Федосеев Д. В., Буйлов Л. Л. Взаимодействие алмаза с железом и никелем и механизмэвтектического плавления//Смачиваемость и поверхностные свойства расплавов и твердых тел Киев - 1972.-С.125-127.

9. Савинцев П.А., Вяткина A.B. Поликомпонентные легкоплавкие сплавы//Изв. вузов СССР. Физика,- 1958.- №4.- С. 120-122.

10. Савинцев П.А., Рогов В.И. Определение коэффициентов диффузии в эвтектических расплавах методом контактного плавления//Заводская лаборатория 1969 - т.35 - №2.- С.195-199.

11. Н.Михайлюк А.Г., Шебзухов A.A., Савинцев П.А. Кинетика контактного плавления в нестационарно -диффузионном режиме.//Изв. вузов СССР. Физика.- 1970.-№12 С. 13-17.

12. Савинцев П.А., Рогов В.И. Поверхностные явления при контактном плавлении//Поверхностные явления в расплавах .-Киев.- 1968.-С.453-457.

13. Яковлев Г.А., Чистяков Ю.Д., Сальников В.М., Сергатский В.И. Бес флюсовая пайка в технологии сборки полупроводниковых приборов и интегральных схем//Обзоры по электронной технике.-серия 7 М.-ЦНИИ «Электроника».- 1983 - вып.9.~ С.64.

14. М.Вяткин А.П., Кулиш У.М. Смачивание кремния расплавами при контактном плавлении его с металлами//Поверхностные явления в расплавах и возникающих в них твердых фазах Нальчик - 1965-С.620-627.

15. Семенов А.П., Поздняков В.В., Лапшина В.А. Контактное эвтектическое плавление алмаза и графита с металлами триады железа//ДАН СССР.- 1968.- т. 181№6,- С. 1368-1370.

16. Савинцев П.А., Шидов Х.Т. Контактное плавление кристаллов галогенидов щелочных металлов с поверхностноактивными органическими веществами//Физ. Химии- 1966- т 40- №6-С.1362-1364.

17. Савицкий А.П. Жидкофазное спекание систем с взаимодействующими компонентами//Новосибирск:- Наука-1991.-С.181.18.3ильберман П.Ф., Савинцев П.А. Особенности контактного плавления ионных кристаллов//Адгезия расплавов и пайка материалов.- 1988- С.30-39.

18. Рогов В.И., Савинцев П.А. Массоперенос при контактном плавлении Нальчик - 1989 - С. 195.

19. Темкин Д.Е, Кинетика процесса контактного плавления в стационарном режиме//Изв.АН СССР Металлы- 1980 - №2-С. 174-177.

20. Silicon bonding of aluminium /Argone National Labor.,USA/-Mach.and Prod.Eng.-1977.-v.130,-№.3345.-p.91-92.

21. Лашко Н.Ф., Лашко C.B. Пайка металлов.-М Машиностроение.-1977.-С.328.

22. Гаврилов Н.И. Смещение меток и определение парциальных коэффициентов диффузии при контактном плавлении металлов: Автореф. дисс. „,канд. физ.-мат. наук. Махачкала - 1985 - С. 16.

23. Савинцев П.А., Шебзухов A.A., Диденко H.H., Афаунов М.Х. О применении контактного плавления в процессе пайки//Электрон. Техника серия «Технол. и организ. производства».- 1970 - №3-С. 71-77.

24. Лариков Л.Н., Рябов В.Р., Фальченко В.М. Диффузионные процессы в твердой фазе при сварке- М- Машиностроение-1975.-С.190.

25. Лашко C.B., Шварцев A.M., Лашко Н.Ф. Контактно-реактивная резка алюминия и его сплавов//Свар. производство 1977 - №4-С. 37-39.

26. Ахкубеков A.A., Саввин B.C., Савинцев П.А., Рогов В.И. Построение линий ликвидуса диаграмм состояния двойных системметодом контактного плавления//Заводская лаборатория 1972. -т.38 - №2- С.208.

27. Батымурзаев Ш.Д., Дажаев П.Ш., Пацхверова JI.C., Савинцев П. А., Хайрулаев М.Р. Контактное плавление в сложных металлических системах//Неорганические материалы- 1977-т.13 С.351-352.

28. Кармоков A.M., Кириллов В.М. Исследование контактного плавления в металлических системах с химическим взаимодействием//Изв. вузов СССР. Физика- 1976 №1- С.94-97.32.3алкин В.М.//Журнал физической химии- 1969- т.43- №2-С.299-304.

29. ЗЗ.Залкин В.М.//Журнал физической химии 1983 - т.57.- №2.- С. 499-502.

30. Шебзухов A.A., Савинцев П.А. Контактное плавление металлов-М.- 1970.- 18 е.- Деп. в. ВИНИТИ № 2350-70 Деп.

31. Фомичев О.И., Юдин С.П.//Физическая химия поверхности расплавов.- Тбилиси Мецниереба - 1977 - С.77-81.

32. Добровольский И.П. и др. Физика и химия обработки материалов 1972.-№2.- С.36-39.

33. Физическое металловедение: Справ, руководство: В 2 т./Под ред. Р. Кана.- М.: Мир, 1968.- Т.2.

34. Щидов Х.Т. Исследование кинетики контактного плавления в бинарных металлических системах в ультразвуковом поле//Физикамежфазных явлений-Нальчик- 1981-С.182-185.

35. Савинцев П. А., Зильберман П.Ф., Савинцев С.П. Физика контактного плавления.- Нальчик- изд-во Кабардино-Балкарского госуниверситета.- 1987-С.80.

36. Попов A.A. Ускоренное определение коэффициента диффузии в расплавленных эвтектических сплавах//Физические методы исследования 1951.- №6.-С.684-688.

37. Гетажеев К.А., Савинцев П.А. Оценка глубины диффузионной зоны в твердых фазах при контактном плавлении бинарных эвтектических систем в нестационарном режиме//Изв. вузов СССР. Физика.- 1972 № 1 -С. 142-144.

38. Савинцев С.П., Ахкубеков A.A. Использование контактного плавления для определения коэффициента взаимной диффузии в расплавах бинарных систем//Заводская лаборатория 1981- №3-С.30-33.

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

40. Савинцев С.П. Контактное плавление двойных систем в нестационарно-диффузионном режиме//Металлы- 1998- №4-С.36-40.

41. Савинцев П.А., Малкандуев И.К., Рогов В.И., Темукуев И.М. Влияние высокого всестороннего давления на кинетику контактного плавления в системе висмут-олово//Физ. мет. и металловедение 1974- т.37 - №.2.- С.43 8-440.

42. Савинцев П.А., Гетажеев К.А., Шидов Х.Т. Влияние внешних полей на скорость роста жидкой прослойки контактно-реакционной пайке металлов/УТехнология и оборудование высокотемпературной пайки-М.- 1973-С.44-46.

43. Савинцев П. А., Темукуев И.М. Контактное плавление в магнитном поле//Изв. вузов СССР. Физика 1972 - №11- С. 14-18.

44. Mathiak Gerhard, Willnecker Rainer. Damping of convertion in liquid diffusion experiments. Z. Metallk.2000.91,Nl 1 c.928-932.

45. Савинцев С.П. О влиянии диффузионных процессов на кинетику перемещения межфазных границ при контактном плавление.//Физика поверхностных явлений в расплавах./Чечено-Ингушский госуниверситет.- 1977 С. 106-111.

46. Белащенко Д.К. Математический анализ процесса контактного плавления/Металлы 1986-№6.-С. 66-74,

47. Белащенко Д.К. Уравнение диффузии в двойных растворах с учетом объемных эффектов//Металлы.~ 1985 №6.-С.46-52.

48. Jost W. Diffusion in Solids, Liquids andGases. N.Y.//Academic Press-1960.

49. Белащенко Д.К. Явления переноса в жидких металлах и полупроводниках.- М: Атомиздат 1970.-С.400.

50. Де Гроот С., Мазур П. Неравновесная термодинамика М.: Изд-во "Мир".- 1964.-С.456.

51. Дьярмати И. Неравновесная термодинамика.- М.: Изд-во "Мир".-1974.-С.304.

52. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика".- 2001 -С.160.

53. Маннинг Дж. Кинетика диффузии атомов в кристаллах М.: Изд-во "Мир".-1971.-С.280.

54. Хаазе Р. Термодинамика необратимых процессов- М,: Изд-во "Мир".- 1967.-С.544.

55. Гуров К.П., Карташкин Б.А., Угасте Ю.Э. Взаимная диффузия в многокомпонентных металлических системах- М. Изд-во «Наука».-1981.-С.З 52.

56. Рогов В.И., Савинцев П.А. Контактное плавление металлов.-Нальчик: Изд-во Кабардино-Балкарского государственного университета,- 1983 -С.98.

57. Корендясев М. И., Савинцев П. А. Контактное плавление двойных систем из органических и неорганических кристаллов/УФизико-химический анализ Новосибирск - 1963 - С. 192-194.

58. Рогов В.И., Савинцев П.А О смещении инертных меток при диффузии в эвтектических расплавах//Физика- 1967- № 8-С.152-153.

59. Рогов В.И., Савинцев П. А., Гаврилов Н.И. Парциальные коэффициенты диффузии в эвтектических системах/УФизика металлов и металловедение 1974.- №3- С.638-640.

60. Гаврилов Н.И., Гаврилов К.И., Хайрулаев М.Р. Определение парциальных коэффициентов диффузии при контактном плавлении//Адгезия и пайка материалов 1985 - В. 12 - С.62-64.

61. Kirkendall Е.О. // Trans.AIME. 1942. V. 147. P. 104.

62. Smigelskas A.D., Kirkendall Е.О. // Trans.AIME. 1947. V. 171. P. 130.

63. Физические величины: Справочник/А.П.Бабичев, H.A. Бабушкина, A.M. Братковский и др.; под. ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.; Энергоатомиздат,- 1991 -С. 1232.

64. Саввин B.C., Михалёва О.В., Повзнер A.A. Кинетика контактного плавления в нестационарно-диффузионном режиме/УРасплавы-2001 -№2.-С.43-50.

65. Саввин В. С., Михалева О. В., Повзнер А. А. Рост жидкой прослойки при контактном плавлении в не стационарно-диффузионном режиме.//Физические свойства металлов и сплавов.-2000.-УГТУ-УПИ.-С 160.

66. Михалева О. В.Рост жидкой прослойки при контактном плавлении в не стационарно- диффузионном режиме// Вестник УГТУ-УПИ-№5.-2000.-С.98.

67. Саввин В. С., Михалева О. В., Повзнер А. А. Кинетика роста диффузионной зоны при контактном плавлении.//Сборник трудов I Международной конференции Екатеринбург,- 2000.-С.120.

68. Вершков Б.А., Новосадов B.C. Расчёт нестационарной кинетики контактного плавления//Физика и химия обработки материалов-1974 №2 - С.61-65.

69. Лыков A.B. Теория теплопроводности-М.: Высшая школа 1967. -С.600.

70. Саввин B.C., Михалёва О.В., Повзнер А.А. Контактное плавление твёрдых растворов в нестационарно-диффузионном режиме//Расплавы- 2002.- №2 С.49-56.

71. Диаграммы состояния двойных металлических систем/. Под. ред. Лякишева Н. П. М.: Машиностроение.-1996.-Т.1.-С.992.

72. Thresh Н.А., Crawley A.F., White D.W.G. The Densities of Liquid Tin, Lead and Tin Lead Alloys. - Trans. Met. Soc. AIME, 1968. V. 242. №5. p. 819-822.

73. Саввин B.C., Абдуллаев B.A., Рябова Н.И., Ярошевская C.B. Дилатометрическое тестирование гетерогенного строения жидких металлов. Металлы. 1.992. №4. с. 33-35

74. Predel В., Emam A. Excess Volumes of molten alloys of Bi-Sn, Sn-Tl, Pb-Sn, Bi-Tl, Hg-In, Hg-Tl, and Pb-Tl systems. Mater. Sci. Eng., 1969. V. 4, p. 287-296.

75. Жданов B.B. Контактное плавление легированных металлов: Автореф. дисс. .,. к.ф.-м.н- Томск., 1978 24 с.82.3айт В. Диффузия в металлах. М.: Издательство иностранной литературы. 1958. 380 с.

76. Саввин B.C., Михалёва О.В., Повзнер А.А. Исследование фазового состава диффузионной зоны Pb-Bi при контактном плавлении компонентов//Неорганические материалы- 2002- Т.38- №7-С.826-830.

77. Саввин В. С., Михалева О. В., Повзнер А. А. О выполнимости условий квариравновесности контактного плавления в системе свинец-висму//Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов: Тез. докл. X Российской конф.- Екатеринбург,- 2001 -С.39-42.

78. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. Т. 1. М.; Металлургиздат.- 1962. - 608 с.

79. Currie P.D., Finlayson T.R. Smith T.F. The phase diagramm for In-rich In-Bi alloys. J. Less-Conimon Metals. 1978.V. 62. P. 13-24.

80. Айтукаев А.Д., Саввин B.C., Эльсункаева Ш.В. К вопросу о механизме доэвтектического контактного плавления//Изв. вузов. Физика.- 1983.- № 7.- С. 60-63.

81. Саввин B.C., Айтукаев А.Д., Хашиева Ф.Д., Мальсагова Ж.Х. Измерение температуры формирующейся зоны контакта массивных образцов. Деп. в ВИНИТИ. № 1590-В 88. Грозный. 1988.

82. Саввин B.C., Айтукаев А.Д. Способ исследования кинетики фазовых превращений и химических реакций, происходящихмежду твёрдыми металлическими образцами. A.c. СССР № 1497539.

83. Михайлюк А.Г., Савинцев П.А. Контактное плавление в сложной эвтектической системе висмут-таллий. В сб. Смачиваемость и поверхностные свойства расплавов и твёрдых тел. Киев. 1972. С. 92.

84. NiwaK.etal. J. Metals. 1957. V. 9. Р. 96.

85. Ma С.Н., Swalin R.A. J. Chem. Phys. 1962. V. 36. P. 3014.

86. Белащенко Д.К. Ж. физ> хим. 1962 Т. 36 С. 2055

87. Савинцев П.А., Ахкубеков A.A., Гетажеев К.А., Рогов В.И., Саввин B.C. Определение коэффициентов диффузиии коэффициентов активности в системе галлий-индий методом контактного плавления//Изв. вузов. Физика- 1971- № 4 С.53-57.

88. Ахкубеков A.A., Рогов В.И., Саввин B.C., Савинцев П.А. Контактное плавление галлиевых систем//Смачиваемость и поверхностное натяжение расплавов. Киев: Наукова думка-1972 С.121-123.

89. Савинцев П.А., Ахкубеков А.А, Рогов В.И, Саввин В.С, Темукуев И.М., Гаврилов Н.И. Исследование взаимной диффузии в бинарных эвтектических расплавах методом контактного плавления//Материалы конференции по физике. Уч.зап.