Д.ф.-м.н. Шепелевич В.Г.

Белорусский государственный университет, Беларусь

ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БЫСТРОЗАТВЕРДЕВШИХ ФОЛЬГ ЭВТЕКТИКИ

Bi – 40 масс. % Сd ПРИ ОТЖИГЕ

Быстрозатвердевшие материалы, полученные при скоростях охлаждения расплава выше 10⁵ К/с, находятся в неустойчивом состоянии из-за образования неравновесных фаз и микрокристаллической структуры, что оказывает влияние на их физические свойства [1,2]. В связи с этим изучение влияния термической обработки на структурные характеристики и свойства быстрозатвердевших материалов имеет научное и практическое значение. В данной работе представлены результаты исследования влияния отжига на структуру, микротвердость и удельное электросопротивление эвтектического сплава Bi – 40 масс. % Cd, полученного при сверхвысоких скоростях охлаждения расплава.

Фольги получены высокоскоростной кристаллизацией капли расплава на внутренней полированной поверхности быстровращающегося медного цилиндра. Линейная скорость кристаллизатора 15 м/с. При исследовании использовались фольги толщиной 40 … 80 мкм, при получении которых скорость охлаждения расплава составляла ≈ 5·10⁵ К/с [3]. Рентгеноструктурные исследования проведены на дифрактометре ДРОН – 3 в медном излучении. Полюсные плотности дифракционных линий висмута и кадмия определялис по методу Харриса [4]. Измерения микротвердости H_μ выполнены на приборе ПМТ—3 с использованием нагрузки 10 г. Погрешность ее измерения составила 4 %. Измерение удельного электросопротивления осуществлялось компенсационным методом.

Выдержка быстрозатвердевшей фольги сплава Bi – 40 масс. % Cd после ее получения при комнатной температуре в течение 100 ч вызывает монотонное увеличение микротвердости с 110 до 130 МПа. За это время уменьшение удельного электросопротивления составило ≈ 30 %. При последующих более длительных выдержках при тех же условия изменение свойств находится в пределах их погрешности измерения.

Зависимость микротвердости фольги сплава Bi – 40 масс. % Cd от температуры нагрева при изохронном отжиге приведено на рисунке 1. Перед отжигом фольги после их получения выдерживались при комнатной температуре не менее пяти суток. При нагреве фольги до 80˚С не наблюдается изменения H_μ. Нагрев выше 90˚С вызывает монотонное увеличение микротвердости с 130 до 260 МПа. Изотермический отжиг фольги при 120˚С в течение 3 ч вызывает увеличение H_μ на 120 МПа.

Рисунок 1. Изменение H_μ фольги сплава Bi – 40 масс. % Cd

при изохронном (1) и изотермическом отжигах (2)

Значения межплоскостных расстояний d и d₀₀₀₉ висмута, а также d₀₀₀₄ и d кадмия после выдержки при комнатной температуре и отжиге при 127˚С приведены в таблице 1. Их изменения не превышают погрешности их измерения. Радиусы атомов висмута и кадмия существенно различаются [5] и неизменность межплоскостных расстояний указывает на незначительную растворимость компонентов и отсутствие пересыщения в твердых растворах висмута и кадмия.

Таблица 1

Влияние отжига на межплоскостные расстояния висмута и кадмия

Межплоскостные расстояния	Температура (К) / время (ч)
	293 / 2	293 / 6	293 / 50	400 /0,5	400 / 1	400 / 6
d (Bi), пм	138,1	138,35	138,2	138,2	138,3	138,2
d0009 (Bi), пм	132,4	132,5	132,6	132,5	132,5	132,4
d0004 (Cd), пм	140,4	140,5	140,5	140,5	140,6	140,5
d (Cd), пм	131,3	131,3	131,4	131,3	131,3	131,3

Значения полюсных плотностей дифракционных линий висмута и кадмия после получения фольги и после ее отжига при 130˚С в течение 1 и 10 ч представлены в таблицах 2 и 3. В быстрозатвердевших фольгах формируются текстуры висмута и (0001) кадмия. 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. Отжиг фольг вызывает перераспределение полюсных плотностей дифракционных линий висмута и кадмия. Так, отжиг при 130^оС вызывает уменьшение полюсной плотности дифракционной линии висмута на 50 % и дифракционной линии 0002 кадмия – на 15 %. Также наблюдается изменение полюсных плотностей и других дифракционных линий обеих фаз. При отжиге происходит ослабление текстур висмута и (0001) кадмия, которые сформировались при кристаллизации. Наблюдаемые изменения в структуре сплава Bi – 40 масс. % Cd указывают на протекание рекристаллизационных процессов в фольге при отжиге при 130˚С.

Таблица 2

Значения полюсных плотностей дифракционных линий висмута быстрозатвердевшей фольги сплава Bi – 40 мас.% Сd

Дифр. линии
Исходн. сост.	2,8	1,2	1,0	0,7	0,6	0,4	0,5	0,8
Отжиг 130˚С, 1 ч	2,2	0,9	0,8	0,7	1,2	0,6	0,5	1,1
Отжиг 130˚С,10ч	1,5	0,8	0,7	0,8	1,2	0,9	0,9	1,2

Таблица № 3

Значения полюсных плотностей дифракционных линий кадмия быстрозатвердевшей фольги сплава Bi – 40 мас.% Сd

Дифр. линии
Исходн. cост.	2,8	0,9	1,0	0,6	0,7	1,1	0,3	0,5
Отжиг: 130^оС, 1ч	2,7	1,1	1,1	0,7	0,8	0,7	0,3	0,6
Отжиг: 130^оС, 10ч	2,4	0,6	0,8	0,6	1,3	1,0	0,8	0,5

Для сплава Bi – 40 масс. % Cd отношение комнатной температуры к температуре плавления в абсолютной шкале температур составляет 0,70. Поэтому границы зерен являются ослабленными зонами и при пластической деформации происходит зернограничное проскальзывание [8], понижающее прочностные характеристики материала.

При высокоскоростной кристаллизации образуется микрокристаллическая структура, а сами границы зерен имеют «рыхлую» структуру из-за высокой скорости зародышеобразования и роста центров кристаллизации. Поэтому в быстрозатвердевшей фольге сплава Bi – 40 масс. % Cd зернограничное проскальзавание дает существенный вклад в пластическую деформацию. Однако при протекании рекристаллизационных процессов в сплаве происходит уменьшение удельной поверхности межзеренных границ и их уплотнение. Оба эти фактора способствуют затруднению зернограничного проскальзывания, что и вызывает увеличение микротвердости фольг сплава Bi – 40 масс. % Cd при отжиге.

Таким образом, отжиг быстрозатвердевших фольг эвтектического сплава сплава Bi – 40 масс. % Cd вызывает ослабление текстур висмута и (0001) кадмия, что вызвано протеканием рекристаллизационных процессов. Уменьшение удельной поверхности границ зерен и их уплотнение при рекристаллизации приводят к увеличению микротвердости.

Литература:

1. Васильев В.А., Митин Б.С., Пашков И. Н., Серов М.М., Скуридин А.А., Лукин А.А., Яковлев В.Б. Высокоскоростное затвердевание расплава (теория, технология и материалы). Под ред. Б.С. Митина М.: СП ИНТЕРМЕТ Инжиниринг, 1998. 400 с.

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

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

4. Текстуры металлических материалов. М.: Металлургия, 1969. 655 с.

5. Ормонт Б.Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников. М.: Высшая школа, 1968.488 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.

8. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. М.: Металлургия, 1972. 408 с.