научная статья по теме ВЯЗКОСТЬ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ РАСПЛАВОВ СИСТЕМЫ CU-SN-BI-PB-GA Физика

Текст научной статьи на тему «ВЯЗКОСТЬ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ РАСПЛАВОВ СИСТЕМЫ CU-SN-BI-PB-GA»

РАСПЛАВЫ

1 • 201:5

УДК 52-334.4:669.35-404

© 2015 г. О. А. Чикова1, В. Ю. Ильин, В. С. Цепелев, В. В. Вьюхин

ВЯЗКОСТЬ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ РАСПЛАВОВ СИСТЕМЫ Си—8п—Б1—РЬ—Са

Проведено вискозиметрическое исследование высокоэнтропийных расплавов системы Си—8п—Б1—РЪ—Оа в режиме нагрева и последующего охлаждения образцов. По результатам измерений определены температуры, при нагреве до которых происходит необратимое разрушение микрогетерогенности.

Ключевые слова', расплав, вязкость, структурное состояние.

ВВЕДЕНИЕ

В результате обобщения многочисленных опытных данных возникли представления о химической микронеоднородности металлических расплавов [1—5], которая носит наследственный характер, т.е. наследуется от химически неоднородного слитка. Гипотеза о микронеоднородности металлических расплавов основана на том, что при температурах выше ликвидуса в течение длительного времени могут существовать микрообласти наследственного характера в виде дисперсных частиц. Микронеоднородности отличны по элементному составу от остального расплава и существуют благодаря наличию избыточной свободной энергии на их границе. Для разрушения такого микронеоднородного состояния металлического расплава нужны перегревы над линией ликвидуса до определенной для каждого состава температуры Ггом или иные энергетические воздействия (например, обработка ультразвуком). После такого перегрева расплав необратимо переходит в состояние истинного раствора, что существенно изменяет условия кристаллизации, микроструктуры и свойства слитка.

Известно [2, 5], что разрушение микронеоднородной структуры расплавов металлических расплавов обычно сопровождается аномалиями температурных зависимостей их структурно-чувствительных свойств, в частности, вязкости. Наблюдается расхождение температурных зависимостей вязкости расплава, соответствующим режимам нагрева и последующего охлаждения образца — гистерезис. Температура Тгом, отвечающая необратимому переходу расплава в однородное состояние, в этом случае определяется по началу совпадающего участка политерм нагрева и охлаждения.

В настоящей работе с помощью вискозиметрии впервые изучены закономерности существования микронеоднородностей для новой группы металлических многокомпонентных расплавов — высокоэнтропийных расплавов [5—7]. Интерес к изучению данной группы металлических сплавов обусловлен тем, что высокая энтропия смешения стабилизирует образование твердых растворов и предотвращает образование интерметаллических фаз в процессе кристаллизации. Высокоэнтропийные сплавы обладают повышенной прочностью, термической стабильностью в сочетании с хорошей стойкостью к окислению и коррозии. Оценка энтропии смешения многокомпонентного расплава, как правило, проводится как энтропии образования идеального: = = —(х:1пх1 + х21пх2 + ...)к, где хг — мольная доля компонента г, и к — постоянная Больц-мана. Отсюда наибольшей энтропией смешения для данного числа элементов обладают сплавы эквиатомного состава. Различие эффективных диаметров атомов компонентов расплава также вносит существенный вклад в величину энтропии смешения

1сЫк65@та11.ги.

2 Расплавы, № 1

Таблица

Характеристики структурного состояния высокоэнтропийных расплавов системы Cu—Sn—Bi—Pb—Ga

Расплав, ат. % Т °С гом Т*, °С А^охл пРи Т

Cu-50Sn 985 - 1.1/2.7, Т = 635°С

Cu-33Sn-33Bi 685 685 0.9/3.1, Т = 585°С

Cu-25 Sn -25Bi-25Pb 735 735 1.0/1.5, Т = 635°С

Cu-20Sn-20Bi-20Pb-20Ga 1185 645 0/3.0, Т = 585°С

[1, 8, 9]. Согласно данным авторов [4], слитки высокоэнтропийных эквиатомных сплавов обладают дендритной микроструктурой и характеризуются наличием множества наноразмерных фаз с различной морфологией и химическим составом, поэтому авторы настоящей работы предполагают наличие в высокоэнтропийных расплавах микронеоднородностей наследственного характера наноразмерного масштаба.

В данной работе исследована микронеоднородность расплавов системы Cu—Sn-Bi—Pb—Ga эквиатомных составов. Изучены температурные зависимости вязкости v( T) данных расплавов с целью определения температур их гомогенизации Тгом. Элементы Cu, Sn, Bi, Pb и Ga — простые металлы с кристаллической решеткой отличной от ОЦК с существенным различием атомных радиусов и энтропии в жидком состоянии [1], взаимодействуют между собой монотектически и эвтектически [10].

Изучены расплавы системы Cu—Sn—Bi—Pb—Ga эквиатомных составов: Cu—50Sn, Cu—33Sn—33Bi, Cu—25Sn—25Bi—25Pb и Cu-20Sn-20Bi-20Pb-20Ga (здесь и далее составы указаны в атомных процентах). Вязкость v измеряли методом затухающих крутильных колебаний тигля с расплавом в режиме нагрева и последующего охлаждения образцов. Измерения проводили в интервале от температуры ликвидуса до 1300°С в режиме изотермических выдержек (не менее 30 мин.), со ступенчатыми изменениями по 50°С. При каждом измерении проводили 20 последовательных отсчетов. Температуру поддерживали на заданном уровне с точностью 1°C с помощью высокоточного регулятора. При проведении измерений регистрацию параметров колебаний осуществляли оптическим способом с помощью системы фоторегистрации колебаний. Методика измерений и обработки экспериментальных данных подробно описана в работах [11-13]. Шихтовыми материалами служили медь марки Мк00, олово марки 0ВЧ-000, свинец марки ХЧ, висмут гранулированный марки Ч и галлий марки Гл-0. Во всех опытах использовали тигли из ВеО. Измерения вязкости проводили в атмосфере высокочистого гелия под давлением 105 Па. Общая погрешность измерения v составляла 3%, а случайная погрешность, определяющая точность регистрации температуры, отвечающей за начало совпадающего участка политерм нагрева и охлаждения, не превышала 1.5%, при доверительной вероятности р = 0.95.

Результаты вискозиметрического исследования расплавов системы Cu-Sn-Bi-Pb-Ga эквиатомных составов представлены на рисунке и в таблице. Для всех изученных расплавов обнаружено расхождение политерм нагрева и охлаждения (гистерезис). Погрешность определения значений кинематической вязкости (см. рисунок) является случайной составляющей погрешности измерений. Температура гомогенизации Тгом изученных многокомпонентных расплавов, которую авторы определяли по началу высокотемпературного совпадающего участка политерм нагрева и охлаждения, составляет 985°С для расплава Cu-50Sn, 685°С для расплава Cu-33Sn-33Bi, 735°С для расплава Cu-25Sn-25Bi -25Pb и 1185°С для пяти компонентной композиции. Необходимо отметить также наличие аномального участка на политерме нагрева - рост вязкости с ростом температуры - для всех расплавов, кроме бинарного. Авторы свя-

Температурные зависимости кинематической вязкости расплавов (ат. %) системы Си—РЪ—8п—Оа—Б1 экви-атомных составов. Черные точки соответствуют режиму нагрева, а белые — режиму охлаждения.

зывают аномальный ход политермы нагрева с тем, что измеряется вязкость в двухфазной зоне, и тем самым получают информацию о положении линии ликвидуса данных многокомпонентных расплавов. Таким образом, согласно данным вискозиметрии, температура ликвидуса для сплава Си—338п—33В1 составляет 620°С, для сплава Си-258п—25В1—25РЪ равна 635°С, а для сплава Си-208п-20В1-20РЪ-200а равна 550°С.

Обращает внимание, что при нагреве изученных расплавов до определенных температур Т* происходит резкое изменение характеристик вязкого течения - энергии активации вязкого течения Е и энтропийного множителя А в уравнении Аррениуса: V = А ехр(£/ЯТ). Вязкость авторы рассматривают как меру энергии, рассеиваемой в форме теплоты в процессе течения расплава. Результат влияния температуры на вязкость поэтому можно использовать для оценки кинетических характеристик вязкого течения расплава. Согласно теории Эйринга [14], вязкость расплава описывается уравнением

V- N е>Р(Лй •/ЯТ) - N ехр ^) «р ).

Здесь к - постоянная Планка; N - число Авогадро; Д& - свободная энергия активации вязкого течения; ц - молярная масса; ДИФ - энтальпия активации вязкого течения; Д^ - энтропия активации вязкого течения; Я - универсальная газовая постоянная и Т - температура. Из сравнения уравнения Аррениуса и уравнения Эйринга, сле-

- - , N ( А5 дует что энтропийный множитель А = -А ехр I--I определяется энтропией

ц I Я )

вязкого течения. Температура Т* для многокомпонетных расплавов находится в пределах от 645-735°С.

Интересно также отметить, что для всех изученных расплавов значения вязкости в режиме охлаждения оказались равны или ниже соответствующих значений, зафиксированных при нагреве Дv > 0 (см. таблицу). Наиболее низкие значения вязкости расплава вблизи ликвидуса характерны для расплава Си-258п-25В1-25РЪ.

Таким образом, при перенесении представлений о микронеоднородности металлических расплавов на многокомпонентные композиции эквиатомных составов появляется возможность создания новой технологии получения конструкционных материалов с уникальными свойствами - высокоэнтропийных сплавов. Из опыта известно [4], что важным технологическим фактором, обеспечивающим получение высокоэнтропийного сплава, является достаточно высокая скорость охлаждения металла в жидком и твердом состояниях, которая не дает возможности развиться диффузионным процессам, приводящим к образованию химических соединений, т.е. к распаду твердого раствора и, следовательно, к снижению энтропии смешения [5, 6]. Авторы предполагают, что нагрев высокоэнтропийного расплава до температуры гомогенизации Тгом при последующем охлаждении и кристаллизации даже при сравнительно невысоких скоростях позволит получить микроструктуру слитка, подобную той, которая образуется при повышенных скоростях охлаждения металла - высокоэнтропийный сплав [7].

ВЫВОДЫ

1. Исследованы температурные зависимости вязкости высокоэнтропийных расплавов (ат. %) системы Cu—Sn—Bi—Pb—Ga с целью определения температур их гомогенизации Тгом. Вязкость измеряли методом в режиме нагрева и последующего охлаждения образцов в интервале от температуры ликвидуса до 1300°С.

2. В результате анализа результатов измерений определена Тгом изученных расплавов: 685°С для расплава Си-33£п-33В^ 985°С для бинарного расплава Си-50$п,

Вязкость высокоэнтропийных расплавов системы Cu—Sn—Bi—Pb—Ga

37

735°С для расплава

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»