ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2012, том 113, № 1, с. 66-76
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.321:536.425:537.311.3
Памяти Сюткиной В.И. посвящается
ВЛИЯНИЕ ИСХОДНОГО СОСТОЯНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ УПОРЯДОЧЕННОГО СПЛАВА СиАи
© 2012 г. А. Ю. Волков, В. А. Казанцев
Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С.Ковалевской, 18
Поступила в редакцию 19.04.2010 г.; в окончательном варианте — 04.07.2011 г.
Проведено изучение микроструктуры, построены температурные зависимости электросопротивления и линейного расширения образцов эквиатомного сплава СиАи при нагреве из исходно закаленного и предварительно деформированного состояний. Обнаружено возникновение текстуры при упорядочении из деформированного состояния. Построены зависимости изменения объема сплава при нагреве. Наблюдаемые особенности обсуждаются с точки зрения релаксационных процессов, протекающих в исследуемом сплаве при фазовом превращении беспорядок—порядок.
Ключевые слова: фазовые превращения, сплав золото—медь, структурные методы исследования.
ВВЕДЕНИЕ
Прошло почти 100 лет с тех пор, как Курнако-вым с сотрудниками при проведении экспериментов на эквиатомном сплаве CuAu было обнаружено существенное изменение электросопротивления при нагреве образцов [1]. Впоследствии это явление было объяснено с точки зрения формирования атомного дальнего порядка в данном сплаве при температурах ниже критической температуры упорядочения (Тс = 410° С).
За прошедшее время эволюция структуры и свойств эквиатомного сплава CuAu в процессе переходов беспорядок —— порядок были подробно изучены различными исследователями с помощью самых разнообразных методик [2—5]. В последнее время в связи с появлением новых методов исследований и значительным увеличением чувствительности используемой приборной базы появились работы, существенно расширившие представления о происходящих в сплаве явлениях с помощью ядерного магнитного резонанса [6], акустической эмиссии [7] и компьютерного моделирования [8]. Кроме того, были обнаружены ранее неизвестные явления: к примеру, эффекты, аналогичные "памяти формы" в никелиде титана. Поскольку природа этого феномена не связана с мартенситным превращением, и в его основе в меднозолотом сплаве лежит принудительное создание текстуры при упорядочении, данный эффект был назван "восстановлением формы" (shape restoration effect) [9]. Здесь следует отметить, что значительно раньше выхода в свет работы [9] подобные результаты были полу-
чены коллективом под руководством Сюткиной: для коррекции формы золотомедных изделий предлагалось использовать упорядочение в зане-воленном состоянии (данная методика получила название "термическая рихтовка" и была запатентована [10]).
Несмотря на большой объем полученных экспериментальных данных, анализ литературы показывает, что эквиатомный сплав СиАи исследован еще далеко недостаточно. К примеру, обнаружилось практическое отсутствие результатов дилатометрических измерений при нагреве поликристаллических образцов (работы по изучению термического расширения монокристаллов СиАи опубликованы в [11]).
Единственным, что удалось найти, является малодоступное исследование, выполненное под руководством Сюткиной [12]. Полученные результаты вызывают вопросы: из них следует, что предварительно деформированный сплав при упорядочении удлиняется, а исходно закаленный — становится короче. Причины такого поведения материала остались не понятыми.
Следует отметить, что практически во всех исследованиях рассматривается влияние фазового превращения на изменения структуры и свойств только исходно закаленного сплава СиАи. Между тем, приведенное в [13] описание эволюции микроструктуры в ходе установления атомного порядка в предварительно деформированном сплаве медь-золото сильно отличается от аналогичного процесса в закаленном сплаве [2—5]. Отсюда можно предположить, что свойства сплава также
будут отличаться в зависимости от его исходного состояния перед упорядочением. К примеру, ранее неоднократно сообщалось, что формирование упорядоченной структуры в предварительно закаленном сплаве СиАи может закончиться его короблением или разрушением [2, 5, 14]. Поскольку данный сплав нашел применение в технике [15], значительное число исследований посвящены поиску методик, позволяющих избежать коробления образцов [2—5, 10, 12]. Странно, но тот факт, что упорядочение предварительно деформированного сплава не приводит к каким-либо катастрофическим последствиям [13, 14], остался практически не замеченным.
Целью данной работы является изучение особенностей формирования структуры и свойств эквиатомного сплава СиАи при упорядочении из закаленного и деформированного исходных состояний.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Эквиатомный сплав СиАи был получен путем сплавления золота чистотой 99.99% и меди чистотой 99.98%. Выплавка производилась в вакууме не хуже 10-2 Па с разливкой в графитовый тигель. Для лучшего перемешивания компонентов использовался метод двойного переплава с промежуточной деформацией слитка. Полученный слиток диаметром 5 мм был гомогенизирован при температуре 600°С в течение 3 ч и закален в холодной соленой воде со льдом (при —10°С). Дальнейший передел слитка на образцы состоял в чередовании деформации на 75% и отжига 600°С 1 ч с последующей закалкой в холодной, соленой воде. В конечном итоге были получены пластинки толщиной 0.4 мм (для рентгеноструктурного анализа), а также проволочные образцы 01.0 мм (для дилатометрических измерений) и 00.22 мм (длярезистометрии). В некоторых случаях рент-геноструктурный анализ проводился с проволочных образцов (как с боковой поверхности, так и с торца).
Для резистометрических исследований использовались проволочные образцы длиной около 150 мм и диаметром 0.22 мм. Измерения температурных зависимостей электросопротивления проводились стандартным четырехконтактным методом; используемое оборудование и методические подробности таких исследований были описаны ранее [16].
Температурная зависимость коэффициента термического линейного расширения (КТЛР) измерялась на дилатометре DL-1500 ЯНР фирмы иЕУАС-8ШКи Я1КО (Япония) в динамическом режиме нагрева/охлаждения со скоростью 180 град/ч в атмосфере чистого гелия при давлении Р ~ (55—70) КПа. Погрешность измерений
дифференциального КТЛР во всем интервале температур (20—600)°С составляла не более ±0.3 х х 10-6 град-1.
Рентгеноструктурный анализ выполнялся на дифрактометре DMAX 2200 фирмы Ш§аки методом непрерывной съемки со скоростью 4 град/мин для съемки полной рентгенограммы и со скоростью 1 град/мин для выделенных участков. Излучение Си-^а было монохроматизирова-но графитовым монокристаллом.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Для понимания процессов, проходящих в эк-виатомном сплаве СиАи при атомном упорядочении, изучались образцы, находящиеся в двух исходных состояниях: разупорядоченных либо закалкой от 600°С, либо деформацией волочением на 75%.
Микроструктура
Описанию эволюции микроструктуры исходно закаленного эквиатомного сплава СиАи в ходе превращения беспорядок —► порядок посвящено большое количество работ [1-5, 9-12]. Установлено [2], что даже небольшой нагрев приводит к формированию в объеме разупорядоченного сплава колоний пластинчатых зародышей упорядочения, т.н. с-доменов. Последующее укрупнение одних доменов за счет других сопровождается концентрацией упругих напряжений на границах колоний, что часто вызывает коробление образцов. Возникающие в ходе фазового превращения в эквиатомном сплаве СиАи сильные внутренние напряжения объясняются в [2] объемным несоответствием между исходной разупорядоченной матрицей с ГЦК-решеткой и растущими зародышами, имеющими атомно-упорядоченную ГЦТ-решетку (сверхструктура типа Х10). В определенный момент укрупнения доменов, в местах наибольшей концентрации напряжений возникают зерна-монодомены (рис. 1а). Продолжение термообработки приводит к практически полной перекристаллизации (рис. 1б).
В отличие от роста пластинчатых с-доменов в исходно закаленном материале, при формировании упорядоченной структуры в деформированном сплаве сразу образуются зерна (рис. 2а). При этом граница растущего зерна-монодомена не только разделяет рекристаллизованную область от нерекристаллизованной матрицы, но и одновременно является межфазной границей порядок-беспорядок [13]. Таким образом, в данном случае развивается комплексная реакция: фазовое превращение (упорядочение) и рекристаллизация происходят одновременно, что уже наблю-
Рис. 1. Эволюция микроструктуры эквиатомного сплава СиАи при упорядочении после закалки (от 600°С): а — зарождение зерен в укрупненной доменной структуре (250°С — 4 ч); б — заключительная стадия перекристаллизации (250°С — 5 ч).
далось ранее в целом ряде сплавов при упорядочении после деформации [17].
Отметим, что скорость возникновения и роста зародышей новой фазы в исходно деформированном сплаве СиАи значительно меньше. К примеру, при температуре 250°С фазовое превращение в закаленном сплаве заканчивается через несколько часов (см. рис. 1 и [18]). Для завершения процесса упорядочения в деформированном сплаве при температуре 270°С требуется выдержка в несколько десятков часов (см. рис. 2). Такой сценарий эволюции микроструктуры резко отличается от аналогичных процессов в других упорядочивающихся сплавах. Как правило, предварительная деформация существенно повышает скорость упо-
рядочения, что обнаружено, к примеру, в Си3Аи [19] или в сплавах системы Си—Рё [16].
Таким образом, кинетика фазового перехода беспорядок —- порядок и морфология формирующейся структуры сильно зависят от исходного состояния меднозолотого сплава. Из сравнения образцов на рис. 3 можно видеть, что, в отличие от закаленного сплава, упорядочение деформированного сплава не приводит к его короблению, хотя очевидно, что объемные несоответствия решеток возникают в обоих случаях.
Рентгеноструктурный анализ
Как известно, фазовый переход в эквиатомном сплаве СиАи сопровождается перестройкой кри-
Рис. 2. Микроструктура исследуемого сплава, упорядоченного после деформации (на 75%):
а — рост
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.