Структурно-морфологические корреляции в процессе спиннингования лент Fe-Cr-B, Fe-B тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФРОЛОВ АНАТОЛИЙ МИХАЙЛОВИЧ

СТРУКТУРНО-МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ КОРРЕЛЯЦИИ В ПРОЦЕССЕ СПИННИНГОВАНИЯ ЛЕНТ Ее - Сг - В, Ре - В

01.04.07 - физика твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Научные руководители: профессор, д.ф.-м.н. ЮДИН Виталий Витальевич, доцент, к.ф.-м.н. КРАЙНОВА Галина Сергеевна

На правах рукописи

УДК 669.0.17.3:536.421.4.539.34

ВЛАДИВОСТОК - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ..................

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................

1.1 Условия получения аморфных сплавов. Метод спиннингования....................

1.2 Структура и дефекты спиннингованных лент...................................................

1.3 Модели строения аморфных твердых тел и стекол...........................................

1.4 Крупномасштабные сеточные мезоструктуры дефектов металлических стекол.................................................................................................................

ГЛАВА II. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ...........................................................

2.1. Физико-технологическая характеристика объектов исследования, методы исследования........................................................................................................

2.2. Методики оптической, растровой микроскопий и рентгеноструктурного анализа.................................................................................................................

2.3 Методика системного анализа микроскопических изображений и

фрактограмм........................................................................................................

ГЛАВА III. КОРРЕЛЯЦИЯ АТОМНОГО РАЗУПОРЯДОЧЕНИЯ И

МОРФОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ БЫСТРОЗАКАЛЕННЫХ ЛЕНТ В

ПРОЦЕССЕ СПИННИНГОВАНИЯ.........................................................................

3.1. Лебеговская методика обработки ДКФ и рентгенограмм спиннингованных лент......................................................................................................................

3.2. Скачкообразное изменение топологии рентгенограмм в зависимости от скорости спиннингования...................................................................................

3.3. Энтропия спектральных мод и дивергентные оценки контактной поверхности лент.................................................................................................

3.4. Кинетика спектров пространственных неоднородностей свободной и контактной поверхностей лент БеуоСг^В^ от скорости вращения барабана...............................................................................................................

ГЛАВА IV. ПОЛЯ АНИЗОТРОПИИ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ДЕФФЕКТОВ В

КИНЕТИКЕ СПИННИНГОВАНИЯ...............................................................

4.1. Масштабная динамика поля анизотропии контактной поверхности Ре7оСг15В15 лент................................................................................................

4.2. Сравнение полей анизотропии контактной и свободной поверхностей спиннингованных лент Ре7оСг15В15...................................................................

4.3. Поля анизотропии контактной и свободной поверхностей спиннингованных лент (второе приближение)...............................................................................

4.4. Информодинамические функционалы в исследовании полей анизотропии микрорельефа спиннингованных лент............................................................

4.5. Дивергентные функционалы в изучении микрорельефа спиннингованных лент....................................................................................................................

ГЛАВА У ИССЛЕДОВАНИЕ КОНЦЕНТРАЦИОННОЙ КИНЕТИКИ ЛЕНТ

РеВ, РеСгВ В ПРОЦЕССАХ СПИННИНГОВАНИЯ И КОНСЕРВАТИВНОГО

СТАРЕНИЯ...............................................................................................................

5.1. Распад аморфного состояния на лентах Бе-В как процесс стохастического перемешивания..................................................................................................

5.2. Сравнительное лазерное масс-спектроспическое исследование спиннингованных лент РеВ и РеСгВ................................................................

5.3. Модель спиннингования на атомном и морфологическом уровнях...............

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ.................................................................................'.

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ.........................................................................................................

ВВЕДЕНИЕ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования являются спиннингованные ленты сплавов РеВ, Ре-Сг-В, полученные при различных скоростях вращения барабана (от 5 до 45 м/с) с температурой расплава 1500°С. Остальные технологические параметры установки спиннингования были фиксированными. Сплав Бе-В имел вариации концентрации по бору от 10 до 17.5 ат.%. А все ленты Ре-Сг-В имели состав Ре7оСг15В15.

Из методов исследования систематически использовались: рентгеност-руктурный анализ, лазерная и цифровая дифрактометрия микрорельефа спин-нингованных лент, растровая электронная (РЭМ) и оптическая микроскопии, а также лазерная масспектрометрия.

Основная задача состояла в параллельном исследовании структуры и морфологии спиннингованных лент. Причем структурные аспекты в масштабе ближнего атомного порядка необходимо исследовать рентгенографическим методом, а концентрационные зависимости, состав лент - методом лазерной мас-спектрометрии.

Морфологический аспект состоит в изучении статистики микрорельефа поверхностей раздела микрорельефа поверхностей раздела, которые исследуются электронномикроскопически и методами лазерной дифрактометрии. В результате исходными данными на мезоуровне будут являются дифракционные картины Фраунгофера (ДКФ), которые содержат информацию о распределении мезоструктурных неоднородностей по размерам, а также полям анизотропии пространственных неоднородностей.

Поскольку рентгенограммы лент Ре-В, Ре-Сг-В на всем интервале скоростей спиннингования отличаются очень сложным фазовым составом, то необходимо разработать такую методику представления, обработки рентгенограмм, которая позволила бы дать количественную характеристику структурного состояния спиннингованных лент, не решая задачи фазового анализа.

Главная часть диссертации должна быть ориентирована на сравнительное изучение полей анизотропии морфологических дефектов на свободной и контактной поверхностях раздела в кинетике спиннингования.

Конечная цель диссертации состоит в разработке модели процессов спиннингования на примере лент Ре-В и Ре-Сг-В, которая основывалась бы на двухуровневом приближении структуры и морфологии быстрозакаленных лент.

С другой стороны необходимо исполнить и существенную прикладную роль. Найти конкретный диапазон кинетических параметров, которые приводили бы к получению спиннингованных лент с "оптимальным", в некотором смысле, микрорельефом.

ГЛАВАI.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Условия получения аморфных сплавов. Метод спиннингования

В настоящее время известно довольно большое число способов, позволяющих получать аморфные металлы и сплавы [1-4]. Основные процессы получения аморфного (стеклообразного состояния) металлов можно описать схемой, приведенной на рис. 1.1.1. Равновесные обратимые процессы изменения состояния металлов, а именно газ <-* жидкость, жидкость о- кристалл, газ <-» кристалл показаны сплошными линиями. Получение аморфного состояния связано с неравновесными процессами. Эти изменения состояния металлов обозначены пунктирными линиями.

Таким образом, методы получения аморфных структур могут быть отнесены к одной из следующих групп: 1) осаждение металла из газовой фазы; 2) затвердевание жидкого металла; 3) введение дефектов в металлический кристалл.

Например, в качестве методов, относимых к первой группе можно назвать следующие: вакуумное напыление, распыление и химические реакции в газовой фазе. К третьей группе можно отнести методы облучения частицами поверхности кристалла, воздействия ударной волны и другие. Ко второй группе относятся различные методы закалки из жидкого состояния. Методы выстреливания, молота и наковальни, а также экстракции расплава позволяют получать тонкие аморфные пластинки массой до нескольких сот миллиграммов. Методами закалки на центрифуге, закалки на диске, прокатки расплавленного металла можно получить непрерывные тонкие ленты. Эти методы могут быть использованы для промышленного производства аморфных металлов. Так как в данной работе использовались аморфные ленты, полученные закалкой из жидкого состояния на медном диске, то далее будет рассмотрен только этот метод [1-5].

Тонкие непрерывные аморфные ленты необходимы не только для определения физических свойств аморфных металлов. Такие ленты с регламентированной формой имеют весьма разнообразные практические применения.

На рис. 1.1.2а приведена принципиальная схема этого метода. Метод закалки на диске позволяет в широких пределах изменять ширину ленты в зависимости от размеров плавильных тиглей. Данный метод позволяет изготавливать как узкие ленты шириной 0.1 - 0.2 мм, так и широкие - до 10 мм, причем точность поддержания ширины ~ 3 мкм.

В установке для закалки из жидкого состояния происходит плавление металла при электрическом или индукционном нагреве, затем расплав выдавливается из сопла под действием газа и быстро затвердевает, растекаясь тонким слоем по поверхности вращающегося охлаждаемого тела (холодильника). Основной проблемой является получение достаточной степени чистоты внешней поверхности, которая не соприкасается с холодильником. При постоянстве состава сплава скорость охлаждения зависит от толщины расплава и характеристики холодильника. Толщина расплава на холодильнике определяется скоростью его вращения и скоростью истечения расплава, что в свою очередь зависит от диаметра сопла и давления на расплав. Для различных сплавов скорость охлаждения зависит также и от свойств самого расплава (теплопроводности, теплоемкости, вязкости, плотности). Кроме того, важным фактором является коэффициент теплопередачи между расплавом и находящимся в контакте с ним холодильником.

При сближении выстреливаемого из сопла расплава при температуре Т1 с холодильником, имеющим температуру Т0, процесс теплопередачи между расплавом толщиной Н и холодильником можно, в зависимости от величины коэффициента теплопередачи Ь, отнести к одному из следующих трех типов [1,2]:

Газообразный металл

жидкии металл

кристаллическим

металл

-1-

<-

1 Т

металлическое стекло

Рим. 1.1.1 Методы получения аморфных металлов: 1 - вакуумное напыление, распыление, химические реакции в газовой фазе; 2 - закалка из жидкого состояния; 3 - облучение, воздействие ударной волны, ионная имплантация.

Рис.1.1.2 Метод получения тонкой ленты путем закалки на диске. Качественная схема (а) и более подробное изображение спиннингования расплава (б).

а) идеальное охлаждение: холодильник и расплав входят в идеальный тепловой контакт, сопротивление переносу тепла на границе между ними отсутствует и h» = 0;

б) медленное (ньютоновское) охлаждение: сопротивление теплопередаче между расплавом и холодильником чрезвычайно велико - тепло не отводится от расплава и h = 0;

в) промежуточный случай: теплопередача происходит при 0< h <оо.

Кривые распределения температуры по сечению расплава и холодильника для трех случаев приведены на рис. 1.1.3.

Обычно считают, что реально происходит процесс, промежуточный между идеальным охлаждением и медленным, поскольку имеется конечная величина сопротивления передаче тепла на границе между расплавом и холодильником. Скорость охлаждения может быть выражена так:

U = h(Ti - ТоУСррН , (1.1)

где Ср - удельная теплоемкость расплава; р - удельная масса расплава; H - толщина расплава.

Когда расплав имеет постоянный состав, то Tj и Т0 постоянны, а скорость охлаждения U пропорциональна h и обратно пропорциональна Н.

В методике закалки на диске, жидкий расплав после плавления в тигле вытягивается из него, попадает на холодильник, перемещается по охлаждаемой поверхности холодильника, затвердевает и в виде ленты снимается с холодильника (рис. 1.1.4).

Следовательно, процессы теплопередачи и распространения фронта затвердевания связаны между собой. При этом возможны два случая [1,2,5]:

1. Предпочтительно идет процесс передачи тепла (thermal transport): тепло отводится быстрее, чем движется расплав, и в результате вытягивается уже затвердевшая лента. Следовательно, фронт затвердевания в этом случае расположен в верхней части расплава на холодильнике.

в I N. 0 < Ъ < 00 II

0

Рис. 1.1.3 Процесс теплопередачи: I - расплав; II - холодильник

жидкий расплав; 2 - затвердевший расплав; 3 - количество выте-

-Л

кающего расплава = тта V; а - радиус струи расплава, V - скорость истечения расплава.

2. Предпочтительно идет процесс распространения момента количества движения (momentum transport): расплав движется быстрее, чем происходит распространение тепла, а фронт затвердевания лежит вне холодильника.

Какой же процесс будет предпочтительным при изготовлении аморфных сплавов? Если температура расплава Ti и скорость перемещения холодильника V постоянны, ответить на этот вопрос можно при рассмотрении критерия Прандтля:

Рг = Срг| / h f (1.2)

где г| - вязкость; h - коэффициент теплопередачи.

Если принять, что толщина расплава в первом процессе равна Нт, а во втором - Нм, критерий Прандтля Рг « (Нт/Нм) .

Предполагается, что в случае аморфных сплавов величина Нт/Нм приблизительно составляет 3-4, т.е. процесс передачи тепла становится предпочтительным.

В момент вытягивания из круглого отверстия радиусом а, рис. 1.1.4, струи расплава толщиной H и шириной W, если реализуется процесс передачи тепла 1, выполняется соотношение

Q = WH V. (1.3)

Как видно из схемы, рис. 1.1.4, Q - количество вытекающего расплава, V -скорость перемещения холодильника. Однако, поскольку предполагается, что реальный процесс затвердевания представляет собой промежуточный процесс между 1 и 2, соотношение (1.3) преобразуется в следующие два:

W-cQ"/Vk, H = QIn/cVn.

Для случая закалки сплава Fe4oNi4oPi4B6 на медном холодильнике получены коэффициенты: с = 0.625; п = 0.83. То есть можно установить связь между Ни V в виде H * V083.

Следовательно, можно считать, что скорость охлаждения U по (1.1) пропорциональна Vй. Таким образом, меняя число оборотов диска, можно регули-

ровать скорость охлаждения расплава.

При получении аморфных сплавов таким методом (метод закалки на диске) на поверхности получаемых лент образуются характерные дефекты [5-7]. Так, на стороне, соприкасающейся с диском (контактной стороне), появляются дефекты типа каверн и полос прокатки. По поводу геометрии рельефа следует отметить, что прослеживается ясная тенденция [5,6]: чем менее явно выражен рельеф, тем меньше он содержит борозд, полос и площадок неправильной формы, и на лентах со слабо выраженным рельефом основным его элементом становится уединенная каверна. Форма каверны в плане близка к равнобедренному треугольнику с большой высотой и малым основанием, длинная ось каверны параллельна вектору скорости диска V. Согласно [5] принципиально возможное формирование каверн в жидкой ванне происходит четырьмя путями: 1) газовыделение из недостаточно раскисленного расплава на холодную подложку; 2) инжекция атмосферного газа сквозь поверхность расплава; 3) захват атмосферного газа путем захлопывания искривленных участков поверхности расплава; 4) реализация возмущений, возникающих в точке начального контакта расплава с диском.

Наиболее реальной причиной образования каверн представляются возмущения, возникающие при встрече расплава с диском. Авторы [7] специально исследовали случай падения капель воды на вращающийся с различной скоростью диск. При этом картина прилипания капли к поверхности прй малых скоростях диска сменялась картиной волнообразных возмущений, близкой к диску поверхности капли при увеличении скорости диска. При дальнейшем возрастании скорости диска возникал режим отражения капли. Фотографии промежуточного режима, приведенные в [7] немного напоминают рельеф быстрозака-ленных лент, что позволяет предположить ведущую роль контактных возмущений в формировании рельефа. Рассмотрим образование каверн с точки зрения этих возмущений согласно авторам [5].

Из рис. 1.1.26 можно видеть, что в А - точке встречи расплава с поверхностью холодильника - нарушается непрерывность гидродинамических характеристик течения: скорость расплава в этой точке "слева" V (А-О) примерно равна У, в то время как "справа" в той же точке А имеется разрыв скоростей, соответствующий отрицательному импульсу давления.

Используя значения параметров, приведенные в Табл.1, получим

АР = ^р(Ау)2=|р(У-у)2=(1-1.5)хЮ6 (Па) (1.4)

Это на порядок больше максимальных статических давлений в рассматриваемой системе. Таким образом, в точке А возникает классическая картина кавитации. При кавитации отрицательный импульс давления, обусловленный переменной кривизной обтекаемого тела, приводит к образованию разрывов сплошности жидкости в виде пузырьков, причем в данном случае заметный вклад в эффект должна вносить свободная поверхность расплава.

Заметим сразу же, что предлагаемый механизм имеет достаточно широкую общность и не требует дополнительных предположений и условий.

Оценка, приведе