Файл: Шиняев А.Я. Фазовые превращения и свойства сплавов при высоком давлении.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 01.07.2024

Просмотров: 131

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

In и соединения. InSb, температура плавления которых по-раз­ ному зависит от давления .

Результаты экспериментального исследования закристалли ­ зованных при высоких давлениях сплавов этой системы с исполь­ зованием рентгеноспектрального метода микроанализа дл я опре­ деления химического состава эвтектических составов подтвердили результаты термодинамического расчета. Д л я определения тем­ пературы плавления эвтектики в частичной системе I n — InSb использовался метод измерения электросопротивления, который убедительно проиллюстрировал найденное при термодинамиче­ ском расчете увеличение температуры плавления эвтектического состава при повышении давления (рис. 109).

Представляло большой интерес экспериментальное определе­

ние давления, при котором эвтектическая

точка

приближается к

соединению InSb, в частичной д и а г р а м м е

InSb — Sb. Д л я

про­

ведения этого эксперимента необходимо

было

с большой

точ­

ностью контролировать давление в интервале до 15—-20 кбар, что

не было сделано в работе [62]. И з данных химического

анализа

фазовых составляющих в сплавах, закристаллизованных

из жид ­

кого состояния

при давлениях

15—20 кбар, следует, что фазовый

состав сплавов

усложняется,

когда давление близко к

17 кбар.

Кроме чистой сурьмы, нами была обнаружена ф а з а с содержа ­ нием 80% сурьмы.

Система алюминий — кремний. Д и а г р а м м а состояния A l : — S i при атмосферном давлении представляет собой систему эвтекти­ ческого типа с областью твердых растворов со стороны алюми ­ ния до 1,59 ат . % Si при эвтектической температуре [70]. Раствори-

- мость

алюминия

в кремнии по данным

[71] составляет

4,8-

• Ю - 2

ат . % при 1100°С

и снижается до 2 - Ю - 2 ат . % при эвтекти­

ческой температуре.

 

 

 

 

В

литературе

было

отмечено, что при кристаллизации

спла ­

вов A l — Si при небольших давлениях

наблюдается значительное

изменение структуры и

механических

свойств сплавов (Бочвар

[70], Белоусов [71] и д р . ) . Д л я того чтобы

объяснить эти особен­

ности сплавов, необходимо было знать влияние давления на фазовую д и а г р а м м у системы алюминий — кремний. В работе Шиняева и др . [72] был проведен термодинамический расчет

иэкспериментальное исследование влияния давления на строение

ди а г р а м м ы состояния алюминий — кремний.

Расчет д и а г р а м м ы состояния алюминий — к р е м н и й при давле - -•нии проводился методом разбиения на простейшие д и а г р а м м ы —

твердые растворы

и эвтектики

с изоструктурными

фазовыми

составляющими .

 

 

 

 

 

Система А1 •—Si

разбивается

на три простейшие диаграммы,

которые показаны на рис. 110.

Д л я расчета

смещения линий

равновесия необходимо

определить значение

энергии

смешения

Есы в рассматриваемых

ф а з а х системы A l — Si.

 

Величина последней рассчитывалась по формулам, взятым из работы [6]:

 

 

 

 

 

* 8

(£'м +

PVJJ

-

г

(ECL

+

PVcl) +

 

 

+ Р

Д^л)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

аА

— In

[(1 —.V): (1 —//)]

 

 

 

 

 

 

'

^ -

^

 

 

RT

=

(1 -

х)* (£'„ +

P C )

 

-

( ! - ^ ) 2

(£см +

Р

^

. Ж

^ в

+

Р

Д

^

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЯВ

— і п

(Л'/</)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

I и

I I

высокотемпературная

и

низкотемпературная

фазы;

^7i==

 

— S , u ) / P ;

ТІ

— температура

фазового

перехода;

 

A V A , •

Д У в — изменение

объема

при

фазовом

переходе

II—>-1,

х — кон­

центрация

компонента

В в

фазе

I , находящейся

 

в

равновесии

с

фазой

I I , концентрация

компонента

В в

которой

 

у;

предполага ­

ется, что д л я одинаковых структур

дл —

Яв и

Еом,

qit

ДУ* не

за­

висят от Т, Р и

 

VA-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если

растворимость

одного

из

компонентов

(например,

В)

близка

к 0, вместо уравнений

(4.49)

имеем уравнения:

 

 

 

 

 

 

 

у =

1;

РТ

=

{ i

~ x ) 2

( £

' "

+ P V » . )

+

ЪвТв +

Р^в

 

 

 

(4.50)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ав

—

In

(х/у)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полагая

 

А Уем =

АУС М

=

0

и

принимая

в

точке

 

эвтектики

х =

0,121,

у =

0,0159,

цА

=

ASEi/P;

Тв

= Т § ? ;

Т = Т э в т =

850° К,

Д 5 п

л =

— —

и

подставляя

эти

 

данные

в

уравнение (4.50),

которое

 

 

 

^ п л

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при

Р

=

0

имеет

 

вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

T

J i - X

y - B l ^ R ^ B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

}

 

 

 

 

 

 

 

 

qB — In х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

'

находим,

что

£ C M = — 2470 кал.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставив

 

значение

ДУsf

=

— 1,127

см/моль в уравнение

(4.51),

поиучим выражение для определения зависимости

Т

 

от

Р

и

С

в

виде:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г

_

 

-

 

2470 а - х Г

+

АН^-

23,9 •

1.12Р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i?(<?S i

—

 

lnx)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Равновесие

твердого

раствора

с

жидкостью

в

системе

A l — Si

рассчитывалось

 

по уравнению

 

(4.52)

при тех же пргдположенилх.

Подставляя

в

эти

уравнения

Е\ы

=

—2470 кал, ТА

= ТТ\ = 9 5 3 ° К,

ASZ = 2 , 6 8 - — ^ , <7AI =

A l =1,402 и учитывая, что концентра-

А1 ' ^

 

 

пт.%

 

 

 

 

сгт.%Ы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

JO

ЇО

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Si, am. %

Рис. ПО. Простейшие диаграммы состояния, входящие

 

в систему

 

А1 — Si

при

атмосфер­

ном

давлении

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сплошные

линии

относятся

к

стабильным,

а

пунктирные — к

метастабпльным участ­

кам

[73)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.

111. Диаграмма

состояния

алюминий

— кремний

при

давлении

 

 

 

 

 

 

 

 

/ — I ог.н, 2—10 кбар, 3 — 25 кбар,

4 — 50

кбар

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ция

кремния

в

эвтектической

точке

 

С =

0,121,

Г э

в

т = 850° К и рас­

творимость кремния

в алюминии

при 850° у =

0,0159,

находим, что

 

= — 19760 кал и виртуальная

температура

плавления

кремния

с ОЦК структурой Si Тв

 

= T S I O U K =

—

6860° К.

 

 

(4.52),

получим

"~

Подставляя

найденные величины в уравнения

 

уравнения,

описывающие

кривые

изменения

 

температуры

от

давления и концентрации

компонентов.

Д а н н ы е

по

изменению

объема

при плавлении

 

О Ц К Si были

получены

в

работе

[73].

З а д а в а я

величину

давления

 

Р

и

концентрацию

 

 

высокотемпера­

турной фазы С, получаем

систему

двух

уравнений

с

двумя

не­

известными

Т и у, которая

была

решена графическим

методом.

 

После совмещения

данных,

полученных д л я простейших

диа­

грамм,

был определен

вид фазовой

д и а г р а м м ы

 

 

системы

алюми­

н и й — кремний

при давлениях

10 и 25 кбар. Изменение

строения

диаграммы

состояния

системы

A l — Si

в зависимости от давле ­

ния показано

на

рис.

 

111.

Получено

 

значительное

 

смещение

эвтектической точки при увеличении давления в сторону

 

кремния.

 

Д л я

уточнения

проверки

данных

расчетов

в работе

[72] было

проведено экспериментальное

 

исследование фазовых

равновесий

в

системе

алюминий — кремний

 

в

интервале

 

давлений

10—

45 кбар с применением

цилиндрической

камеры . Давление, соз­

д а в а е м о е

в

камере,

 

 

определялось

 

по

точкам

 

 

переходов

B i l

— B i l l ,

B i l l — ВіїII,

Tel — T e l l .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д л я проведения

экспериментов

были

выплавлены сплавы

следующих

составов

1, 5; 5,

13, 30; 40, 95 ат . % Si, которые

при­

готовлялись

методом

бестигелы-юй

плавки

во взвешенном со­

стоянии.

 

 

 

 

 

 

 

Анализ

микроструктуры

образцов,

закристаллизованных

при давлении 30 кбар, показал, что эвтектическая

точка

значи­

тельно смещается в сторону кремния. Эвтектический

при Р =

1 атм

сплав с 12,1 ат . % Si после кристаллизации

при 30 кбар содержит

много первичных кристаллов алюминиевого твердого раствора^ между зернами которого видны участки эвтектики. Та к ка к кри­ сталлизация шла от краев к центру образца, в центре имеется . участок с последними первичными дендритами и небольшой зоной эвтектики. При давлении 45 кбар в сплаве с 12,1 % Si количество

эвтектической

составляющей

уменьшилось по

сравнению

со

структурой того

ж е сплава, закристаллизованного

при 30

кбар.

При

30 кбар сплав

с

30%

Si

имеет заэвтектическую,

а

при

45 кбар эвтектическую

структуру. В отдельных: местах образца

были видны первичные дендрнты.

 

 

 

Фазовый рентгеновский анализ образцов, закристаллизовав ­

шихся

со скоростью

охлаждения

200 град/сек,

показал,

что н

рентгенограммах присутствуют линии двух фаз : кремния и твер­ дого раствора на основе алюминия.

Определение химического состава сплавов методом рентгено­ спектрального микроанализа позволило установить, что с увели­ чением давления растворимость кремния в алюминии возрастает и одновременно увеличивается содержание кремния в эвтектике.

Растворимость кремния в алюминии

в твердом состоянии

значи ­

тельно снижается с температурой.

Охлаждение

со скоростью

10 град/сек 'недостаточно

д л я того,

чтобы предупредить

распад

твердого раствора. Такой

ж е вывод

был сделан и из данных

измерения периодов решетки твердых растворов

в зависимости

от концентрации кремния. Представляет интерес тот факт, что

увеличение растворимости кремния

до 11 вес . % было получено

и при з а к а л к е из жидкого

состояния

со скоростью

охлаждения

108 град/сек [74]. Таким

образом, сравнение данных

определения

растворимости при быстрой з а к а л к е и в опытах при высоком дав­ лении показывает один и тот ж е эффект — увеличение раствори­ мости. В связи с этим следует обратить внимание на тот факт что и при очень быстрой з а к а л к е со скоростью 106 —108 град/сек как и при.высоком давлении, образуются новые фазы . Ранее был отмечен одинаковый результат действия з а к а л к и и давления на— температуру мартенситного превращения . Это свидетельствует о наличии определенной связи между факторами воздействия на междуатомное взаимодействие в кристаллической решетке метал­ лов и сплавов при быстрой з а к а л к е и высоком давлении, хотя механизм воздействия высокого давления существенно отлича­ ется от такового при быстрой закалке .

Смотрите также файлы