Д. ф.-м. н. Шепелевич В.Г.

Белорусский государственный университет, Беларусь

ЗЕРЕННАЯ СТРУКТУРА БЫСТРОЗАТВЕРДЕВШЕГО

ЭВТЕКТИЧЕСКОГО СПЛАВА Bi – 40 масс. % Cd

Формирование зеренной структуры в эвтектических сплавах при малых и средних скоростях охлаждения изучено достаточно полно [1]. При этом установлено, что структура эвтектик зависит в значительной мере от скорости охлаждения расплава. Экспериментальных исследований по формированию зеренной структуры в эвтектических сплавах при сверхвысоких скоростях охлаждения (выше 10⁵ К/с) жидкой фазы недостаточно, что в свою очередь тормозит продвижение теоретического описания процесса кристаллизации [2]. В связи с этим в данной работе представлены результаты исследования зеренной структуры эвтектического сплава Bi – 40 масс. % Cd.

Методики получения и исследования быстрозатвердевших фольг толщиной 30… 100 мкм описаны в работе [3]. Скорость охлаждения жидкости при получении фольг эвтектического сплава Bi – 40 масс. % Cd равна ≈ 5·10⁵ К/с. Исследование фольг растровой электронной микроскопией показало, что сплав имеет дисперсную двухфазную структуру. Сечения кадмия в фольгах имеют неправильную форму, их размер изменяется от 0,2 до 3 мкм.

Исследование зеренной структуры проводилось методом дифракции отраженных электронов, осуществлялось с помощью приставки фазового анализа «HKL CHANNEL 5» к растровому электронному микроскопу LEO 1455 VP. Обнаружено, что выделения висмута и кадмия в быстрозатвердевшей фольге состоят из отдельных зерен, изображения сечений которых представлены на рисунке 1. В одном сечении выделения каждой фазы наблюдается от одного до нескольких сечений зерен.

Методом секущих определены параметры зеренной структуры. Средние размеры зерен кадмия и висмута равны d_Сd = 0,9 ± 0,1 мкм и d_Bi = 1,1 ± 0,1 мкм соответственно. Удельная поверхность высокоугловых границ зерен кадмия S_Cd = 0,38 ± 0,04 мкм^-1 и висмута S_Bi = 0,92 ± 0,09 мкм^-1. Общая величина удельной поверхности высокоугловых границ зерен в сплаве S_вг = 1,4 мкм^-1. Удельная поверхность малоугловых границ зерен равна S_мг = 0,4 мкм^-1.

а	б

Рисунок 1. Зеренная структура выделений висмута (а) и кадмия (б) фольги сплава

Bi – 40 масс. % Cd

Высокоугловые границы между соседними зернами висмута и соседними зернами кадмия имеют различные углы разориентировки (рисунок 2). При этом четко выраженной преимущественной разориентировки между зернами в обеих фазах не наблюдается.

а)

б)

Рисунок 2. Распределение углов разориентации зерен

висмута (а) и кадмия (б)

Формирование наблюдаемой микроструктуры в эвтектическом сплаве Bi – 40 масс. % Cd при высокоскоростной кристаллизации определяется значительным переохлаждением жидкой фазы, величина которого в легкоплавких металлах, как показывает расчет [3], достигает ≈ 100 К. Переохлажденный эвтектический расплав является пересыщенным жидким раствором обоими компонентами [1], т.е. находится в неравновесном состоянии. В нем из-за появления большого количества малых флуктуаций состава и последующего их развития появляются области, обогащенные висмутом и кадмием. В этих областях возникают в результате флуктуаций энергии кристаллические зародыши висмута и кадмия, которые и формируют зеренную структуру в областях, обогащенных соответствующими компонентами. Из-за высокой степени переохлаждения обогащенных жидких фаз одним из компонентов скорость зародышеобразования велика, что и обусловливает формирование микрокристаллической структуры в выделениях висмута и кадмия соответственно.

В фольге сплава формируется преимущественная ориентация зерен висмута и кадмия, исследование которой проведено с помощью обратных полюсных фигур, а полюсные плотности дифракционных линий рассчитывались по методу Харриса [4]. В таблицах 1 и 2 представлены значения полюсных плотностей дифракционных линий висмута и кадмия.

Таблица

Значения полюсных плотностей дифракционных линий Bi и Cd

Дифракц. линии Bi
Полюсн. плотности	2,8	1,2	1,0	0,7	0,6	0,4	0,5	0,8
Дифракц. линии Сd
Полюсн. плотности	2,8	0,9	1,0	0,6	0,7	1,1	0,3	0,5

Наибольшим значением полюсных плотностей характеризуется дифракционная линия висмута и дифракционная линия кадмия 0002, что свидетельствует об образовании текстуры висмута и кадмия (0001). На долю данных ориентировок приходится около 35 % объема каждой фазы. Аналогичные текстуры наблюдаются и в фольгах компонентов, т.е. висмута и кадмия [6,7]. Их образование вызвано тем, что при кристаллизации в сильно неравновесных условиях растут преимущественно те зерна, для которых указанные кристаллографические плоскости располагаются перпендикулярно направлению теплового потока и параллельно поверхности кристаллизатора.

Таким образом, в быстрозатвердевших фольгах эвтектического сплава Bi – 40 масс. % Cd образуются микрокристаллическая структура со средним размером зерен ≈ 1 мкм и текстурами висмута и кадмия (0002).

Литература:

1. Таран Ю.Н., Мазур В.Н. Структура эвтектических сплавов. М.: Металлургия, 1978. 312 с.

2. Галенко П.К., Херлах Д.М. Бездиффузионный рост кристаллов в эвтектической системе при высокоскоростном затвердевании. ЖЭТФ. 2006. Т. 130, вып. 1(7). С. 171 – 180.

3. Гусакова О.В., Шепелевич В.Г. Быстрозатвердевшие сплавы олова. Минск: РИВШ, 2012. 150 с.

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

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

6. Шепелевич В.Г. Структура и свойства тонких фольг висмута и ее сплавов с сурьмой. Изв. АН СССР. Неорган. материалы. 1988. Т. 24. № 4. С. 542 – 545.

7. Шепелевич В.Г., Лозенко В.В. Структура и физические свойства фольги сплавов на основе цинка и кадмия, полученных сверхбыстрой закалкой из расплава. Вестник БГУ. Сер. 1. 2009. № 1. С. 20 – 26.