К. ф-м. н. Белая О.Н., к. ф-м. н Гусакова С. В., Холод О.Н.,

д. ф.-м. н. Шепелевич В.Г.

Белорусский государственный университет

СТРУКТУРА БЫСТРОЗАТВЕРДЕВШИХ ФОЛЬГ ЭВТЕКТИЧЕСКОГО

СПЛАВА Pb – 56 ат. % Bi

Структура сплавов, сформированных при сверхвысоких (выше 10⁵ К/с), средних и малых скоростях охлаждения жидкой фазы существенно различаются между собой [1, 2]. В последние десятилетия активно изучаются материалы с невысокой температурой плавления [3–7], получаемые при сверхвысоких скоростях охлаждения расплава. Сплавы свинца по сравнению со сплавами алюминия и олова изучены менее полно. Высокоскоростная кристаллизация сплавов свинца, содержащих до 30 ат. % Bi, вызывает изменение зеренной структуры, диспергирование фаз, формирование текстуры, изменяет порядок выделения фаз [8, 9]. Широкое применение находят эвтектические сплавы свинца, формирование структуры которых при высокоскоростной кристаллизации изучено недостаточно. Следует отметить, что в последнее время активно нарастает интерес к процессу формирования структуры эвтектических сплавов. При сверхвысоких скоростях охлаждения расплава [10, 11]. В связи с этим в данной работе представлены результаты исследования структуры эвтектики Pb – 56 ат. % Bi, полученной при высокоскоростной кристаллизацией.

Сплав Pb – 56 ат. % Bi получен сплавлением компонентов, частота которых не хуже 99,9 % с последующей заливкой в изложницу. Кусочек сплава (≈0,2 г.) расплавлялся, и затем расплав инжектировался на внутреннюю полированную поверхность вращающегося медного цилиндра. Толщина исследованных фольг составляла 40…80 мкм. Скорость охлаждения расплава, как показал расчет [2], находилась в пределах 10⁵…10⁶ K/с. Микроструктура фольг исследована с помощью растрового электронного микроскопа LEO1455VP фирмы «Карл Цейсе». Рентгеноструктурный микроанализ выполнялся с использование энергодисперсного детектора фирмы «Rontec». Рентгеноструктурный анализ проводился на дифрактометре ДРОН–3. Полюсные плотности дифракционных линий рассчитывались по методу Харриса [12]. При исследовании текстуры рентгеновское излучение падало на поверхность фольги А, контактирующую с кристаллизатором, и противоположную её поверхность В. Для определения объемной доли и удельной поверхности межфазных границ применяли метод секущих [13].

При рентгеноструктурных исследованиях быстрозатвердевающих фольг сплава Pb – 56 ат. % Bi , обнаружены дифракционные линии висмута (, , и др.) и ε-фазы (, , и др.). Дифракционные линии свинца не наблюдались. Т.е., быстрозатвердевшие фольги состоят из двух фаз: висмута и ε-фазы. Изображение микроструктуры поперечного сечения фольги сплава Pb – 56 ат. % Bi, полученное с помощью растровой электронной микроскопии, представлено на рисунке 1.

Рисунок 1 – Микроструктура поперечного сечения быстрозатвердевшей фольги сплава Pb – 56 ат. % Bi

С помощью рентгеноспектрального микроанализа проведено сканирование поверхности фольги электронным лучом, позволившее обнаружить существование чередующихся областей, обогащенных висмутом и свинцом (рисунок 2). В областях, обогащенных висмутом, содержится и свинец, так как интенсивность линии свинца не равна нулю. Свинец в указанных областях может существовать в виде ε-фазы.

Методом секущих в быстрозатвердевшей эвтектике определены объемная доля висмута V_Bi = 0,46 0,04, удельная поверхность межфазной границы S_мфг = 0,810,08 мкм^-1 и средний размер частиц висмута = 3,7 мкм.

Рисунок 2 – Распределение интенсивности линии L_α1 при сканировании электронного пучка вдоль линии по поверхности фольги

В фольгах сплава Pb – 56 ат. % Bi образуется преимущественная ориентация зерен. Значения полюсной плотности дифракционных линий висмута и ε-фазы приведены в таблицах 1 и 2. Текстура исследована в слоях, прилегающих к поверхности фольги А, контактирующей с кристаллизатором и противоположной поверхности фольги В.

Таблица 1

Полюсные плотности дифракционных линий висмута

Поверхность фольги/состояние фольги	Дифракционные линии
								0009
А/ исх. состояние	7,6	0,0	0,1	0,0	0,0	0,3	0,0	0,0
В/ исх. состояние	7,5	0,0	0,1	0,0	0,0	0,4	0,0	0,0
А/отжиг при 100˚С	7,6	0,0	0,0	0,0	0,0	0,4	0,0	0,0

Таблица 2

Полюсные плотности дифракционных линий ε-фазы

Поверхность фольги/cостояние фольги	Дифракционные линии
А/ исх. состояние	4,6	0,8	0,7	0,0	2,0	0,4	0,2	0,2
В/ исх. состояние	3,2	1,9	0,4	0,0	1,9	0,3	0,2	0,1
А/отжиг при 100˚С	4,0	0,9	0,6	0,0	2,1	0,3	0,1	0,1

Наибольшие значения полюсной плотности имеют дифракционные линии 102 висмута и 100 и ε-фазы. Таким образом, в фазе висмута образуется текстура (102); на её долю приходится 95% объема, занимаемой данной фазой. Формирование текстуры (102) ранее наблюдалось в фольге висмута и его сплавах [14] и связывалось с преимущественным ростом зерен, у которых данная плоскость перпендикулярна направлениям теплоотвода.

В ε-фазе, входящей в состав, формируется двойная текстура (100) + (110). Объем зерен с такими ориентировками составляет 80% от всего объема ε-фазы. В фольге сплава Pb – 30 ат. % Bi, состоящей только из ε- фазы, наблюдается текстура (0001). Такое различие, по-видимому, вызвано различными условиями образования и роста зерен в эвтектическом и перетектическом сплавах.

Отжиг фольги эвтектического сплава Pb – 56 ат. % Bi при 100˚С в течении 1 часа не изменяет текстуры фазы висмута и незначительно ослабляет компоненту текстуры (100) ε-фазы. Компонента текстуры (110) ε-фазы при отжиге не изменяется.

Таким образом, быстрозатвердевшие фольги эвтектического сплава Pb – 56 ат. % Bi состоят из висмута и ε-фазы, имеют микрокристаллическую структуру. В фольгах нормируется текстура (102) висмута и двойная текстура (100) + (110) ε-фазы, которые устойчивы к отжигу при температуре 100˚С.

Литература:

1. Васильев В. А., Митин Б. С., Лишков И. И., Серов М. М., Скуридин А. А., Яковлев В. Б. Высокоскоростное затвердевание (Теория, технология и материалы). Под редакцией Б. С. Митина. М.:СП ИНТЕРМЕТ ИНЖИНИРИНГ, 1998. – 400 с.

2. Мирошниченко И. С. Закалка из жидкого состояния. М.: Металлургия, 1982. – 168 с.

3. Sivtsova P. A., Shepelevich V. G. Structure and microhardness of rapidly solidified Al-Ni-Cr alloys // Inorganic materials. 2006. Vol. 42. № 3. – P. 264 – 268.

4. Shepelevich V. G., Gusakova O. V. Decomposition of a supersaturated solid solution in thin foils of Sn-Bi alloys // Physics of metals and metallography. 2009. Vol. 108. № 3. – P. 292 – 297.

5. Shepelevich V. G., Wang Y. Structure and microhardness of rapidly solified In-Sn foils // Inogranic materials. 2012. Vol. 48. № 6. – P. 577 – 581.

6. Lozenko V. V., Shepelevich V. G. Formation of the metastable zinc phase as a result of rapid solidification from melt and its annealing // Crystallography. 2009. Vol.57. № 3. – P. 439 – 440.

7. Shepelevich V. G. Texture of rapidly solidified foils of aluminium, lead and their alloys // Physics of metals and metallography. 2002. V.94, № 3. –P.199 – 201.

8. Белая О. Н., Шепелевич В. Г. Быстрозатвердевшие фольги свинца и его сплавов // Физика и химия обработки материалов. 2005. № 6. – С. 67 – 72.

9. Белая О. Н., Шепелевич В. Г. Структура и свойства сплавов на основе свинца, полученных сверх быстрой закалкой из расплава // Изв. НАН Беларуси. Сер. физ.-техн. наук. 2006. № 1. С. 40 – 43.

10. Калашников Е. В. Термодинамические неустойчивые состояния в эвтектических системах // Журнал технической физики. 1997. Т. 67. № 4. С. 7 – 12.

11. H. Каng, W. Yoon. Microstructure morphology changes of the Lead – Tin Eutetic Alloy by Different Undercooling Levels // Material Transeсtions. 2004. Vol. 45. № 10. – P. 2956 – 2959.

12. Русаков А. А. Рентгенография металлов. М.: Атомиздат, 1977. – 480 с.

13. Салтыков С. Л. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1976. – 216 с.

14. Ван Цзинцзе, Шепелевич В. Г. Быстрозатвердевшие фольги индия. Минск: РИВШ, 2011. – 172 с.