научная статья по теме К ТЕОРИИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ФАЗЫ В НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ КОНТАКТНОГО ПЛАВЛЕНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «К ТЕОРИИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ФАЗЫ В НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ КОНТАКТНОГО ПЛАВЛЕНИЯ»

РАСПЛАВЫ

6 • 2011

УДК 541.123.7669.017.3

© 2011 г. М. К. Жекамухов1, Ф. Б. Жолаева2

К ТЕОРИИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ФАЗЫ В НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ КОНТАКТНОГО ПЛАВЛЕНИЯ

Возникновение промежуточной фазы при температурах, близких к температуре плавления эвтектик данной системы, связано с тем, что во многих системах объемные концентрации атомов в зоне контакта превышают равновесные значения концентраций, определяемые из диаграмм состояния. На основе сравнения этих концентраций получены соотношения между параметрами диффузии контактирующих веществ, при которых в системе может иметь место ДТ-эффект. Установлены критерии, при которых возможно возникновение жидкой фазы в контакте перед началом контактного плавления,

Ключевые слова', жидкая фаза, контактное плавление, температура эвтектики, ме-тастабильное состояние, взаимная диффузия.

Как известно, контактное плавление (КП) в бинарных эвтектических системах при медленном нагреве соприкасающихся кристаллов всегда начинается при температуре эвтектики. Однако при другом режиме, когда в контакт приводятся образцы, нагревшиеся раздельно, в некоторых системах происходит спекание кристаллов при более низких температурах [1—4]. Явление получило впоследствии название "метастабильного контактного плавлении" или АТ-эффекта. Установлено, что образовавшаяся после соприкосновения образцов тонкая прослойка жидкой фазы не увеличивается по толщине даже при длительной выдержке.

Когда же в контакт приводятся образцы, нагревшиеся до температуры, несколько превышающей эвтектическую, в ряде случаев перед началом КП в контактной прослойке появляется тонкий слой жидкой фазы одного из соприкасающихся кристаллов, после чего начинается контактное плавление обоих кристаллов.

Оба эти явления выходят за рамки обычного представления о природе контактного плавления и вызывают широкие споры между специалистами.

Были предприняты попытки теоретического объяснения механизма возникновения "метастабильного контактного плавления". Большинство исследователей исходят из того, что в основе данного явления лежит взаимная диффузия компонентов перед началом плавления. Так, в основе представления автора [5] лежит диффузионная гипотеза о механизме КП, согласно которой начальная стадия плавления обусловлена предшествующей взаимной диффузии компонентов и образованием в поверхностных слоях кристаллов легкоплавких твердых растворов. При этом предполагается, что непосредственной причиной КП при пониженной температуре является образование вместо промежуточной фазы сильно пересыщенных метастабильных твердых растворов, при распаде которых в месте контакта возникает жидкая фаза.

Такие же представления разделяют авторы [1, 4, 6], а в работе [7] предложена некоторая модификация диффузионной теории начальной стадии КП.

^екатиЬоуа'й'таП.ги.

22Ьо1аеуаГайта1@таи. ги.

1 2

Рис. 1. Концентрационное распределение атомов в кристаллах А и В.

Однако во всех указанных выше исследованиях остается непонятным физический механизм возникновения метастабильного состояния при контактировании разнородных кристаллов, образующих эвтектическую систему.

Против диффузионной теории КП категорически выступает автор публикаций [8—10], в которых выдвигается ряд возражений, которые якобы опровергают основы этой теории. Вместе с тем сформулирована гипотеза, в основе которой лежит представление об определяющей роли межатомного взаимодействия на микроучастках истинного контакта соприкасающихся кристаллов (веществ, образующих эвтектическую систему).

На микроучастках в результате образования связей между разноименными происходит "схватывание" кристаллов, образуется единая двухфазная система [8].

В работе [11] опровергаются все возражения, выдвинутые автором [8—10], против диффузионной теории КП и обсуждаются различные аспекты проблемы возникновения А Т-эффекта.

В [12—14] предпринята попытка вычисления АТ-эффекта и состава образующейся жидкой фазы на основе модели, являющейся неудачной с точки зрения автора [11], в которой учитываются парные взаимодействия в зоне контакта двух металлов.

Таким образом, проблема образования жидкой фазы в начальной стадии КП остается актуальной и до сих пор не решенной. В настоящей работе на основе конкретных расчетов предпринята попытка решения этой проблемы.

Наш подход к решению проблемы основывается на решении одной диффузионной задачи, возникающей при приведении в контакт двух разнородных металлов.

Пусть в момент времени ? = 0 приводятся в соприкосновение друг с другом два металлических стержня А и В, нагретых раздельно до одной и той же температуры Т. После соприкосновения кристаллов атомы А, интенсивно диффундируют в кристалл В, а атомы В — в кристалл А. На рис. 1 показано концентрационное распределение атомов в кристаллах А и В: плоскость х = 0 совпадает с плоскостью контакта кристаллов.

Предполагается, что стержни являются достаточно длинными, чтобы можно было пренебрегать влиянием концов стержней на процессы диффузии за время проведения

эксперимента. При этих условиях уравнения, описывающие процессы диффузии и самодиффузии атомов в кристаллах А и В, можно записать как

дп

(а)

дг

Ъ

-2 (а) (а)д ПА

А 2"'

дх

дп

( а)

дг

дп

(в)

дг

(в)

дп

~зТ

Ъ

Ъ

Ъ

2 (а) (.а) д пВ

в ——,

дх

д2 (в) ,(в)д пВ

в Т,

дх

д2 (в) (в) д пА

А --,

дх

-да <х < 0, 0 < х < да, 0 < х < да, -да < х < 0,

(1)

где , пА — объемные концентрации атомов А и В в кристаллеА; пВ и п^ — объем-

п п(а) т\( а) т\( в) т\( в)

ные концентрации тех же атомов в кристалле В; ЪА , ЪВ , ЪВ , ЪА — соответствующие коэффициенты диффузии.

Решение системы уравнений (1) будем искать в виде

п{а (х, г) = А1 + в1Ф

пВа) (х, г) = А2 + В2 ф

п<В)(х, г) = А'1 + в'1ф

п(А) (х, г) = А2 + В2Ф

2^/Ъ

( а)

Ч2Й

-да < х < 0,

0 < х < да,

0 < х < да,

-да < х < 0,

(2)

где А, В, А', В\ (; = 1, 2) — произвольные постоянные, а функция Ф(х) — интеграл ошибок:

2 2 Ф(х) = — [ехр (-г )йг.

л/^

При этом должны выполняться следующие граничные условия:

(а), А 0 (в), А 0 пА (-да> г) = nA, пВ (да> г) = пВ

(3)

(пА и пВ — объемные концентрации атомов в кристаллах А и В до приведения их в контакт),

п(а(да, г) = 0, пА\-да, г) = 0. (4)

х

Кроме того, на контактной плоскости х = 0 должны выполняться условия сопряжения п™(о, 0 = п™(0, 0, пВ(0, 0 = п{в(о, 0, (5)

(а)

D

(а) дпА

А дх

D

(а)

дп

( а)

дх

D

я (в) ( в) дпВ

дх

D

: = 0

Я ( в) (в) дпА

дх

(6)

: = 0

Из граничных условий (3) и (4) автоматически следует выполнение начальных условий

п(Аа)(х, 0) = пА, п{в(х, 0)

(7)

Решение уравнений (2), удовлетворяющее граничным условиям (3)—(6) и начальным условиям (7), имеет вид

п(Аа)(х, ?)

1 + Л D

(а)

1 +

, -да<х < 0,

пВа) (х, ? ) =

ф*

i+d ) / паА ) ^

0 < х < да,

п{в)(х, ?) =

1 + Л d

JD^/D1

( в)

1 +

ф

0 < х < да,

(8)

(х, ?) =

D)пв

-ф*

1 + л D

-да <х < 0,

0

0

х

х

0

0

0

0

где ф*(х) = 1 - ф(х).

При этом на контактной границе х = 0 объемные концентрации атомов равны

п0 п0

пАа)(0, ?) = п(а(0, ?) =--, пВв)(0, ?) = пАв)(0, ?) =-п-. (9)

1 + JпВа)/па 1 + 1пв/Пв

Таким образом, при приведении в контакт любых двух металлических образцов A и B объемные концентрации атомов в образцах на контактной плоскости все время остаются неизменными.

Введем следующие обозначения:

(в) / (а) (а) , (в)

Фа = пА /пА , Фв = пв /пв •

Тогда из равенств (9) имеем

00 фа =-пв---па-

1 + 1пв/Пв 1+ JпВа)/па

0 , 1п(в)/п(в) пв1 + пА /пв

пА 1 + ,]п(ва)/D

(а) 'А

Здесь фА находим из фВ круговой перестановкой индексов. Перемножая соотношения (10), получаем

ФаФВ = 1 (11)

В равенствах (1) коэффициенты диффузии и самодиффузии зависят от температуры. Следовательно, фА и фВ являются функциями времени. Если фА возрастает с температурой, то, в силу соотношения (11), функция фВ убывает, и наоборот. Соотношения (10) и (11) имеют место для любых пар металлов, приводящихся в контакт при любой температуре при условии, что в контактной прослойке между металлами не возникает жидкая фаза.

Если образцы металлов А и В образуют эвтектическую пару, то при температуре эвтектики Тэ имеют место следующие равенства:

¡¡¡(в) ±(а)

сп = -Ш— = -1—, 1 - с = п* 1

0 " п*(в) + п*1 + п*(а)/п*^ " п*(а) + п*(1 + п*(в)/п*(аУ

где п* и п* — объемные концентрации атомов А и В в кристалле А; п* и п* объемные концентрации атомов А и В в кристалле В в эвтектической точке; С0 — эвтектический состав. Отсюда получаем

„*(<)) Г „*(а) 1 г

ф0 п* с0 ф0 п* 1 - С0

Фа = —й) = ТТ, ФВ = —м = "Г—, (12)

п*( а) 1 - с0 п'Г^ С0

00

причем фАфВ = 1.

С приближением температуры контакта кристаллов Т к температуре эвтектики Тэ функции фА(Т) и фВ(Т) приближаются к фА и фВ, и в пределе получаем фА(Тэ) = фА, ФВ(Тэ) = фВ. При этом из двух равенств (10) следует одно соотношение

п в 1+ъ ) / ъа ) = _С0_ (13)

па 1 + ^/ъв

0 I (в) (в) 1 - С0

Полученное соотношение между коэффициентами диффузии и самодиффузии является характерной особенностью эвтектических систем: в эвтектической точке эти коэффициенты связаны одним соотношением, позволяющим по трем известным коэффициентам диффузии определять четвертый коэффициент.

На рис. 2 схематически приводятся возможные расположения кривых фА(Т) и фВ(Т)

^ ^ / С 1_с л

при фА > фв I —>-0). Видно, что при возрастании функции фА(Т) функция

V1 - с0 с0

ФВ(Т) убывает и наоборот. Заметим, что фА(Т) и фВ(Т) дают более наглядное представление о природе контактного плавления.

Предположим, что в кристаллической решетке металла А один атом в узле решетки замещен атомом кристалла В. Замещение в других узлах атомов кристалла А атомами кристалла В приводит еще к более сильному ослаблению внутримолекулярных связей. Продолжая этот процесс замещения, приходим к тому, что при некотором критическом соотношении между объемными концентрациями примесных атомов и собственных

Рис. 2. Возможное расположение кривых Фа(Т) и Фв(Т).

атомов, определяемом равенством фА = С0/1 — С0, кристаллическая решетка металла А теряет устойчивость и он плавится.

То же самое происходит с металлом В: когда отношение концентраций фв достигает критического значения фв = ф^ = (1 — С0)/С

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