Физика/2. Физика твердого тела

К.ф.-м.н. Белянушкин А.В., к.ф.-м.н.Тихонова Н.П., инж. Никашкин А.И.

Мордовский государственный университет им.Н.П.Огарева, Россия

Ускорение диффузии в межфазной прослойке сверхпластичных сплавов системы кадмий-свинец – результат наследования свойств расплавов

Эксперименты по изучению подвижности атомов были поставлены в связи с исследованиями природы эффекта сверхпластичности (СП), который наблюдается у сплавов ряда эвтектических и эвтектоидных систем. Без высокой диффузионной подвижности атомов длительная равномерная деформация совершенно невозможна и её необходимость признается всеми исследователями СП [1-3].

Однако имеются только единичные работы, посвященные её количественному изучению. В сплавах систем Cd-Pb и Al-Zn диффузионная подвижность атомов изучалась методом меченых атомов с помощью радиоактивных изотопов олова-113 и цинка-65 [4,5], где было обнаружено, что максимум концентрационных зависимостей пластичности δ(С) деформированных образцов соответствуют минимумы концентрационных зависимостей эффективных энергий активации диффузии Н(С), приходящиеся на сплавы эвтектической и эвтектоидной концентраций. Причем установлено, что минимумам соответствуют значения энергий близкие, но несколько большие энергий активации граничной самодиффузии атомов чистого олова и цинка. Это представляется естественным, т.к. благодаря мелкодисперсности образцов эвтектоидного и эвтектического составов. Доминирующая роль принадлежит граничной диффузии, но массоперенос осуществляется также и за счет объемной диффузии, вследствии чего, в эксперименте улавливаются лишь интегральные величины переноса и энергии активации. Таким образом, участие объемной диффузии приводит к повышению эффективного значения энергии Н.

В данной работе проведено сравнение литературных данных по энергиям активации объемной и граничной диффузии компонентов, а также с величиной энергии активации диффузии кадмия в свинец с полученными нами значениями энергии активации пластической деформации СП и не СП литых сплавов системы кадмий-свинец.

Образцы для исследований изготовлялись из металлов Cd-0 и Pb-0 с концентрацией 10;15;20;25;30;35;40;45;50;55;60;65;70;75;80;85 и 90 ат.% Pb. Энергия активации пластической деформации Q определялась по релаксации приложенных напряжений [6] при различных температурах. Полученные результаты сопоставлялись с результатами исследований пластичности δ.

Пластичность определялась на образцах с цилиндрической рабочей частью диаметром 5 и длиной 20 мм. растяжением до разрыва со скоростью έ=5·10^-4с^-1. Испытания проводились при Т=200 ⁰С.

Рис.1. Концентрационная зависимость: 1 – энергии активации пластической деформации, Q, кДж/моль;

2 – пластичности, δ,%, ×3 (Т=200 ⁰С; έ=5·10^-4 с^-1).

На рис.1. представлены результаты по исследованию энергии активации пластической деформации и пластичности литых сплавов системы кадмий-свинец в виде их концентрационных зависимостей. На кривой δ(С) выявлены три пикообразных максимума, разделенные глубокими провалами пластичности. Максимумы приходятся на сплавы с примерным составов Cd₂Pb; CdPb и CdPb₂. Аномально высокие значения пластичности свидетельствуют о наличии СП состояния в указанных сплавах. СП состояние данных сплавов подтверждается ходом кривой Q(С). Сравнивая её с кривой δ(С), видим, что максимумам пластичности, т.е. проявлению СП, соответствуют минимумы Q. Известно, что СП деформация характеризуется минимальными значениями энергии активации [7].

Полученные нами значения Q (для сплавов в СП состоянии они составляют около 8-11 кДж/моль) существенно меньше энергии активации объемной диффузии компонентов сплавов Cd и Pb (55 и 65 кДж/моль)[8], граничной диффузии Cd-56 кДж/моль [8], зернограничной диффузии Pb-18,8 кДж/моль [9], диффузии кадмия в свинце – 64,8 кДж/моль [10], самодиффузии свинца – 117,6 кДж/моль[10]. Приведенные литературные данные взяты в температурном интервале, в котором для сплавов определенных составов в системе кадмий-свинец проявляется эффект СП.

Как известно, СП деформация осуществляется за счет зернограничного, межфазного проскальзывания (до 2/3 ε) с аккомодацией диффузионными процессами. Поэтому, столь малые значения Q СП сплавов указывают на значительную облегченность и ускоренность диффузионной подвижности атомов в межфазной прослойке при СП деформации.

Уменьшение энергетического барьера для перехода атомов из одной позиции в другую в межфазной прослойке свидетельствует о значительном снижении в ней сил межатомного взаимодействия, что указывает на существенное отличие свойств этой прослойки от свойств α– и – β кристаллов, образующих сплавы. Свойства любого образования, в конечном счете, определяются строением и конфигурацией электронной оболочки атомов, входящих в него. Поэтому, различие в свойствах переходной зоны между контактирующими зернами разных фаз и самих кристаллов, скажется и на различии электронного состояния атома одного и того же элемента в теле зерна и на границе. Такое отличие состояний атомов одного и того же компонента было зафиксировано у эвтектоида Al-Zn [11], проявляющего эффект СП. Данные по исследованию диффузии в эвтектоиде Al-Zn [12], показывают ускорение диффузии более чем на порядок при переходе его в СП состояние.

Следовательно, ускоренная диффузия в межфазной прослойке СП сплавов Cd-Pb, равно как и Al-Zn - результат уменьшения сил межатомного взаимодействия, вызванного особым, приводящему к такому снижению, состоянием электронной подсистемы этой прослойки.

Наличие ионов или их комплексов с метастабильной электронной оболочкой в прослойке, можно предполагать, связано с тем, что они образуются ещё в жидком состоянии. При кристаллизации сплава, они, подобно примесям, как чужеродные будут сегрегировать на границах зерен и частично там сохраняться по окончании процесса затвердевания. Большая их подвижность вызвано более высокой индифферентностью их электронной оболочки, и. как результат этого, ускорение диффузионных процессов. Таким образом, ускоренная диффузия в переходной зоне контактирующих зерен разных фаз конкретных бинарных СП сплавов есть следствие сохранения метастабильной межфазной прослойкой отдельных признаков и свойств, которые характерны и присущи только их расплавам.

Исходя из сказанного, зону всей межфазной прослойки в бинарных СП сплавах можно рассматривать самостоятельной третьей фазой со своими ярко выраженными индивидуальными свойствами, которые генетически связаны со свойствами их расплавов. Эта фаза, отличаясь чрезвычайно высокой диффузионной подвижностью атомов, играет роль промежуточной, но совершенно необходимой антифрикционной прослойки, приводит к ослаблению взаимодействия зерен при их скольжении друг относительно друга во время СП деформации.

Литература

1. Кайбышев О.А. Сверхпластичность промышленных сплавов. М., Металлургия, 1984, 264с. с ил.

2. Пресняков А.А., Аубакирова Р.К. Сверхпластичность металлических материалов. Алма-Ата, Наука, 1982, 232с. с ил.

3. Жиляев А.П., Пшеничнюк А.И. Сверхпластичность и границы зерен в ультрамелкозернистых материалах.- М.: Физматлит, 2008.- 320с.

4. Мальцева Г.К. и др. Изв.ВУЗов. «Цветная металлургия», 1980, №3, с.100-107.

5. Земский С.В. и др. Сб. «Материаловедение» (Физика и химия конденсированных сред), Воронеж, ВПИ, 1979, с.95-99.

6. Кузнецов Р.И. и др. ФММ, 1966, т.21, в.2, с.265-271.

7. Пустовгар А.Ф. и др. В кн.: Тезисы докладов 2^ой Всесоюзной научно-техн. конф. «Сверхпластичность металлов». М., МИСиС, 1981, с.137-138.

8. Глейтер Г., Чалмерс Б. Большеугловые границы зерен. Пер. с англ. М., «Мир», 1975, 374 с. с ил.

9. Уманский Я.С. Физическое металловедение. М., Металлургиздат, 1955, 724 с.

10. Бэррер Р. Диффузия в твердых телах. Пер. с англ. М., ИЛ, 1948, 504 с.

11. Ishida J., Ozawa T. «Scr. met.», 1975, v.9, №10, p.1103-1106.

12. Земский С.В. и др. Физ. и хим. обр. материалов. 1978, №4. с.91-97.