Образование канавок жидкометаллического травления в системе Al-Sn тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Раков, Сергей Владимирович

• Раков, Сергей Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Раков, Сергей Владимирович

ВЕДЕНИЕ.4 стр.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.7 стр.

1.1. Границы зерен.7 стр.

1.1.1. Структура границ зерен.7 стр.

1.1.2. Поверхностное натяжение границ зерен.9 стр.

1.1.3. Фасетирование границ зерен.10 стр.

1.1.4. Диффузия по границам зерен.11 стр.

1.2. Канавки термического травления (ТК).15 стр.

1.3. Канавки жидкометаллического травления (ЖК).18 стр.

1.3.1. Методики проведения экспериментов.21 стр.

1.3.2. Морфологические типы канавок (экспериментальные данные).25 стр.

1.3.3. Кинетика роста канавок жидкометаллического травления.32 стр.

1.3.4. Теоретические модели развития ЖК.35 стр.

1.3.4.1. Применение модели Маллинса к ЖК.36 стр.

1.3.4.2. Модели, предполагающие основным механизмом зернограничную диффузию.36 стр.

1.3.4.3. Модели растворения.38 стр.

1.3.4.4. Модель когерентных напряжений.41 стр.

1.3.4.5. Модель «Динамического угла».44 стр.

1.3.4.6. Модель фасетирования.47 стр.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Образование канавок жидкометаллического травления в системе Al-Sn»

Актуальность темы. Известно, что при контакте поликристаллического материала с жидким металлом d месте выхода границы на поверхность образуются канавки жидкометаллического травления (ЖК). Проникновение жидкой фазы по границам зерен зависит от большого числа параметров (температура, энергия внешней поверхности и границ зерен, температура плавления и чистота исходных материалов и т.п.) и представляет собой сложное явление. Знание закономерностей происходящих при этом процессов играет очень важную роль в современных технологиях, в которых применяются поликристаллические, тем более ианокристаллические материалы. Это связано с тем, что свойства таких материалов критически зависят от процессов, происходящих на внутренних границах раздела. Наличие жидкой фазы на поверхности может изменять такие свойства границы как диффузионная проницаемость, энергия, подвижность, адсорбция и т.д. Это особенно важно для случая долговременного контакта твердого поликристаллического материала с жидкой фазой: в процессах смачивания, в ядерной энергетике (долговечность систем охлаждения ядерных реакторов, в которых в качестве теплоносителя используются расплавы металлов), в процессах быстрого ("катастрофического") окисления и высокотемпературной сверхпластичности, жидкофазного спекания, при пайке, высокотемпературной коррозии и разрушении конструкционных материалов и т.д.

В отличие от канавок термического травления, которые возникают при достаточно высоких температурах по границам зерен в условиях вакуума, механизмы образования канавок жидкометаллического травления изучены недостаточно. Не смотря на наличие большого числа исследований, посвященных данной проблеме, до сих пор не разработаны общепринятые модели. Малое количество надежных экспериментальных данных не позволяет полностью понять термодинамические условия образования различных типов канавок жидкометаллического травления и, особенно, кинетику их эволюции.

Цель работы

1. Экспериментально исследовать образование канавок жидкометаллического травления в системе Al-Sn.

2. Классифицировать исследованные канавки жидкометаллического травления по основным типам, ввести характеристические критерии и определить температурные интервалы существования каждого из типов канавок.

3. Определить кинетические законы развития канавок различных типов.

4. Проанализировать и развить теоретические модели, объясняющие существование канавок различных типов, и обосновать кинетические зависимости их роста.

Научная новизна

1. Обнаружено три морфологических типа канавок: канавки маллинсовского типа (Т<530°С), канавки типа «клин» (530-570°С) и канавки типа «палец» (Т> 570°С).

2. Сформулированы качественные и количественные критерии, показывающие принадлежность канавок к определенному типу:

• Канавки маллинсовского типа характеризуются выпуклыми стенками, угол в вершине канавки более 45°, отношение глубины канавки к полуширине h / wj = 1,8 ± 0,3.

• Канавки типа «клин» характеризуются прямыми стенками и углом в вершине менее 45°, отношение глубины канавки к полуширине h / wi = 8 ± 2.

• Канавки типа «палец» характеризуются прямыми стенками с закруглением в вершине, угол сходимости прямых стенок и угол в вершине канавки составляют 10 ± 5° и 140 ±15° соответственно, отношение глубины к полуширине h / wi = 4 ± 1.

3. Экспериментально определены кинетические законы роста (углубления) канавок различных типов: для канавок маллинсовского типа h ~ tш, для канавок типа «клин» h~t1/4, и для канавок типа «палец» h~tl/2.

4. Рассмотрены различные движущие силы образования и роста канавок (разность поверхностных натяжений, растворение, связанное с уменьшением энергии Гиббса системы). Рассмотрены возможные механизмы их роста (диффузия через жидкость, поверхностная диффузия).

5. Определены движущие силы и механизмы роста канавок различных типов. Следующие из этих механизмов кинетические зависимости совпадают с результатами экспериментов:

• Для канавок маллинсовского типа - выигрыш в поверхностной энергии за счет изменения поверхности раздела жидкой и твердой фаз при частичном смачивании; диффузия через жидкость.

• Для канавок типа «клин» - выигрыш в поверхностной энергии за счет изменения поверхности раздела жидкой и твердой фаз при частичном смачивании; поверхностная диффузия.

• Для канавок типа «палец» - выигрыш в поверхностной энергии за счет смачивания границы зерен жидкой фазой; диффузия через жидкость.

Практическая значимость работы. Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что сформулированы условия образования канавок жидкометаллического травления различных морфологических типов. Данные, полученные в работе, позволяют прогнозировать появление канавок различных типов в разных температурных интервалах и определить их глубину. Указаны факторы, позволяющие изменять морфологию канавок и скорость их роста. Результаты работы могут быть использованы при чтении спецкурса «межкристаллитные границы» и в лабораторных работах по курсу «физикохимические измерения» для студентов, обучающихся по специальностям 0708 и 0709 и по направлению 510400.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Экспериментальное доказательство образования канавок различных морфологических типов.

2. Кинетические законы роста канавок различных типов.

3. Термодинамический анализ образования канавок различных морфологических типов и кинетические модели их роста.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены на 11 конференциях:

1. Международная конференция «Диффузия в материалах» (Париж, DIMAT 2000)

2. Международная конференция «Диффузия, сегрегация и напряжения в материалах» (МИСиС, Москва, DSS 2002).

3. Международная конференция «Interfaces in Advanced Materials» (Черноголовка, 2003).

4. Международная конференция «7 Russian-Chinese Symposium: New Materials and Technologies» (Агой, Краснодарский край, 2003).

5. Международная конференция «Диффузия и фазовые превращения в сплавах» «Сокирне-04» (Черкассы, 2004).

6. Международная конференция «Диффузия в материалах» (Краков, Dimat 2004).

7. Международная конференция «Диффузия в твердых телах» (МИСиС, Москва, DiSo 2005).

8. Студенческие научно-технические конференции МИСиС 2001,2003,2004 и 2005 гг. и научные семинары кафедры физической химии МИСиС.

Структура и объем диссертации: Материал диссертации изложен на 116 страницах машинописного текста, содержит 84 рисунка, 4 таблицы. Список литературных источников содержит 97 наименований. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Раков, Сергей Владимирович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В процессе исследований образования канавок жидкометаллического травления в системе Al-Sn обнаружено три морфологических типа канавок: канавки маллинсовского типа (Т<530°С), канавки типа «клин» (530-570°С) и канавки типа «палец» (Т> 570°С).

2. Сформулированы качественные и количественные критерии, показывающие принадлежность канавок к определенному типу:

• Канавки маллинсовского типа характеризуются выпуклыми стенками, угол в вершине канавки более 45°, отношение глубины канавки к полуширине h / Wj = 1,8 ± 0,3.

• Канавки типа «клин» характеризуются прямые стенки и углом в вершине менее 45°, отношение глубины канавки к полуширине h / wj = 8 ± 2.

• Канавки типа «палец» характеризуются прямыми стенками с закруглением в вершине, угол сходимости прямых стенок и угол в вершине канавки составляют 10 ± 5° и 140 ±15° соответственно, отношение глубины к полуширине h / Wi = 4 ± 1.

3. Экспериментально определены кинетические законы роста (углубления) канавок различных типов: для канавок маллинсовского типа h ~ t1/3, для канавок типа «клин» h~t1/4, и для канавок типа «палец» h~t1/2.

4. Рассмотрены различные движущие силы образования и роста канавок (разность поверхностных натяжений, растворение, связанное с уменьшением энергии Гиббса системы). Рассмотрены возможные механизмы их роста (диффузия через жидкость, поверхностная диффузия).

5. Определены движущие силы и механизмы роста канавок различных типов. Следующие из этих механизмов кинетические зависимости совпадают с результатами экспериментов:

• Для канавок маллинсовского типа - выигрыш в поверхностной энергии, за счет образования канавки заданной формы при частичном смачивании; диффузия через жидкость.

• Для канавок типа «клин» - выигрыш в поверхностной энергии, за счет образования канавки заданной формы при частичном смачивании; поверхностная диффузия.

• Для канавок типа «палец» - выигрыш в поверхностной энергии, за счет смачивания границы зерен жидкой фазой; диффузия через жидкость.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Раков, Сергей Владимирович, 2005 год

1. Бокштейн Б.С., Копецкий Ч.В., Швиндлерман J1.C. Термодинамика и кинетика границ зерен в металлах. М.:Металлургия, 1986.

2. Bollman W. Crystal Defects and Crystalline Intefaces.-Berlin: Springer, 1970.

3. Grimmer H., Bollman W., Warrington D.T. Acta Cryst, 1974, V.A31, pp.197-211.

4. Kronberg M.L., Wilson F.H., Trans. AIME, 1949, V.185, pp. 501-508.

5. Орлов A.H., Перевезенцев B.H., Рыбин B.B., ФТТ., Т. 17, С. 1662-1670.

6. Shih К.К., Li J.C.M., Surface Science, 1975, V.50, pp. 109-124.

7. Ройтбурд А.Л., Поверхность, 1982, №10, с. 121.

8. Ashby M.F., Spaepen F., Williams S., Acta metallurgies 1978, V.26, pp. 1647-1663.

9. Pond R.C., Smith D.A., Vitex V., Acta Metallurgies 1979, V.27, pp. 235-241.

10. Мисссол В. Поверхностная энергия раздела фаз в металлах, М.:Металлургия, 1978

11. Chalmers В., Progr.Roy.Soc., 1949, А196, р.64.

12. Smith C.S., Trans. AIME, 1948, 175, р.15.

13. McGraw-Hill, N.Y., 1951, p.151

14. Sawai I., Nishida M., Z. Anorg., Chem., 1930, 90, p.375.

15. Udin H., Shaler A.J., Wulff J., Trans. AIME, 1949, 185, p. 186.

16. Valenzuella C.G., Trans.AIME, 1965, 223, p. 1911.

17. Gleiter H„ Acta Met., 1970, V.18, p.23.

18. Gleiter H., Z.Metallk, 1970, V.61, p.279.19.021 Read W.T., Shokley W., Phys.Rev., 1950, 78, p. 275.

19. Hasson G., Goux C., Scr.met., 1971, V.5, №10, pp. 889-894.

20. Страумал Б.Б., Фазовые переходы на границах зерен, -М: Наука, 2003.

21. Вульф Г.В., Тр. Варшавского общества естествоисп., 1894-1895, Т.6, вып.9, С.7-11.

22. Вульф Г.В., Изв. Варшавского ун-та, 1895, Кн.7-9, 1896, К.1, 2, С.1-120.

23. Straumal В.В., Polykov S.A., Bischoff Е., Interface Sci., 2001, V.9, pp. 287-292.

24. Fischer J.C., J.Appl.Phys., 1951, V.22, №1, P.74.

25. Бокштейн Б.С., Диффузия в металлах изд.Металлургия, 1978.

26. Harrison L.G., Trans. Faraday Soc, 1961, V.57, №7, p. 1191.

27. Kaur I., Mishin Yu., Gust W., Fundamentals of Grain and Interphase Boundary Diffusion. -Clichester 3rded. John Wiley and Sobs Ltd, 1995.

28. Каур И., Густ В., Диффузия по границам зерен и фаз. — М:Машиностроение, 1991.

29. W.W. Mullins, J. Appl. Phys., 1957, V.28, р.ЗЗ.

30. Smith C.S., AIME Trans., 1948, V. 175, p. 15.

31. W.W. Mullins, Acta Met., 1958, V.6, p.414.

32. W.W. Mullins, Trans. AIME, 1960, V.218, №2,

33. Allen B.C., Trans. AIME, 1969, V.245, №7, pp. 1621-1631.

34. Allen B.C., Trans. TMS-AIME, 1966, V.263, pp.915-921.

35. Bokstein B.S., Klinger L.M., Apykhtina I.V., Materials science and engineering, 1995, A203, pp.373-376.

36. Ikeuye K.K., Smith C.S., Trans. AIME, 1949, V.185, pp.762-768.

37. Rogerson J.H., Borland J.C, Trans. AIME, 1963, V.227, pp.2-7.

38. Bishop G.H., Trans. AIME, 1968, V.242, №7, pp.1343-1351.

39. Cahn J.W., J. Chem.Phys., 1977, №8, V.66, pp.3667-3672.

40. Straumal B.B., Gust W., Molodov D., J. Phase Equilibria, 1994, V.15, №4, pp.386-391.

41. Straumal B.B., Molodov D.A., Mater. Sci. Forum, 1996, V.207-209, pp.437-440.

42. Straumal B, Muschik Т., Gust W., Predel В., Acta met., 1992, V.40, №5, pp.939-945.

43. Glebovsky V.G., Straumal B.B., Semenov N.V. at.al., High temp, mater, and processes, 1994, V.13, pp.67-73.

44. Straumal В., Rabkin E., Lojkowski W., Gust W., Shvindlerman L.S., Acta mater., 1997, V.45, pp.1931-1940.

45. Penisson J.M., Vystavel Т., Acta mater., 2000, V.48, pp.3303-3310.

46. Joseph В., Barbier F., Aucounturier M., Grain Boundary Penetration of Liquid Bi in Cu Polycrystals, 1998,6.

47. Joseph В., Barbier F., Aucouturier M., Scripta mater., 1999, V.40, №8, p.893.

48. Joseph В., Barbier F., Aucounturier M., Scripta mater., 2000, V.42, pp.1151-1158.

49. Joseph В., Barbier F., Dagoury G., Aucouturier M., Scripta mater., 1998, V.39, №6, p.775.

50. Robertson W.M., Trans. AIME, 1965, V.233, pp.1232-1236.

51. Ratke L., Vogel H.J., Acta. Metal., 1991, V.39, №5, p.915.

52. Cheney R.F., Hochgraf F.G., Spencer C.W., Trans. AIME, 1961, V.221, p.492.

53. Bishop G.H., Addis, Steidel, Spencer, Trans. AIME, 1962, V.224, p. 1299.

54. Bishop G.H., Trans. AIME, 1968, V.242, №7, pp.1343-1351.

55. Marie N. Wolski K., Biscondi В., Scripta mater., 2000, V.43, p.943.

56. Аборина H.C., Дипломная работа на тему «Изучение взаимодействия жидкого олова с поликристаллическим алюминием», МИСиС, Москва, 1999, 79 стр.

57. Straumal В., Gust W., Molodov D., J. Phase Equilibria, 1994, V.15, pp.386-391.

58. Hugo R.C., Hoagland R.G., Scripta mater., 1998, V.38, №3, pp.523-529.

59. Hugo R.C., Hoagland R.G., Scripta mater., 1999, V.41, №12, pp.1341-1346.

60. Chu, Liu, Luo, Qiao, Canadian metallurgical quarterly, 1999, V.38, №2, p.127.

61. Hugo R.C., Hoagland R.G., Acta mater., 2000, V.48, pp.1949-1957.

62. Vogel H.J., Ratke L., Acta metal, mater., 1991, V.39, №4, pp.641-649.

63. Allen B.C., Trans. AIME, 1969, V.245, №7, pp.1621-1631.

64. Protsenko P., Kucherinenko Y., Robaut F., Traskine V., DSS, 2002, p.225.

65. Foucher J., Kalogeropoulou S., Protsenko P., Hodaj F., Eustathopoulos N., Defect and Diffusion Forum, 2003, V.216-217, pp.331-336.

66. Straumal B.B., Semenov V.N., Glebovsky W.G., Gust W., Grain Boundary Wetting Phase Transition in the Mo-Ni System, 21, 1997

67. Elbaum C., Trans. AIME, 1959, V.215, pp.476-478.

68. Pereiro-Lopez E., Ludwig W., Bellet D., Baruchel J., DSS02,2002, p.24I.

69. Molodov D.A., Migration of high angle grain boundaries in Metals, 1999, p.143.

70. Semenov V., Srtraumal В., Glebovsky V., Gust W., J.Cryst. Growth, 1995, V.151, pp.180-186.

71. Straumal В., Rabkin E., Lojkowski W., Gust W., Shvindlerman L.S., Acta mater., 1997, V.45, pp. 1931-1940.

72. Penisson J.M., Vystavel Т., Acta mater., 2000, V.48, pp.3303-3310.

73. Pereiro-Lopez E., Ludwig W., Bellet D., Acta mater., 2004, V.52, p.321.

74. Апыхтина И.В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук «кинетика взаимодействия металлических расплавов с границами зерен в поликристаллической меди», МИСиС, Москва, 1998, 107 стр.

75. Belousov V.V., Bokstein B.S., Apikhtina I.V., Proceedings of the 5-th european conference on advanced Materials and Processes and Application, 1997, V.2, pp.439-443.

76. Wolski K., Laporte V., Marie N. Biscondi M., Interface science, 2001, V.9, pp. 183-189.

77. Scholhammer J., Baretzky В., Gust W., Mittemeijer E., Straumal В., Interface science, 2001, V.9, pp.43-53.

78. Joseph В., Barbier F., Aucouturier M., J. Phys. IV. 1999, V.9, p.235.

79. Joseph В., Barbier F., and Aucouturier M., Mater, sci. forum. 1999, 735, pp. 294-296.

80. Бокштейн B.C., Петелин A.JI., Раков C.B., Известия вузов. Цветная мелаллургия, 2002, №6, стр. 46-50.

81. Bokstein B.S., Petelin A.L., Rakov S.V., Russian Jornal of Non-Ferrous Metals, 2002, V.43, №12, pp.22-27.

82. Yukawa S., Sinott M.J., Trans. AIME, 1959, V.215, pp.338-340.

83. Fradkov V.E., Scripta metall., 1994, V.30, №12, pp.l599-1603.

84. Rabkin E., Scripta Materialia, 1998, V.39, №6, pp.685-690.

85. Shaw T.M., Duncomble P.R., J.Am.Ceram.Soc. 1991, 74, p.2495.

86. Glickman E.E., Nathan M., J.of Appl.Physics, 1999, V.85, №6, pp.3185-3191.

87. Chatain D„ Rabkin E., Derenne J., Bernardini J, Acta mater., 2001, V.49, pp.l 123-1128.

88. Rabkin E., Klinger L., Semenov V.N., Acta mater., 2000, V.48, pp.1533-1540.

89. Klinger L., Rabkin E., Interface Sciens, 2001, V.9, pp.55-63.

90. Zhang, Sachenko, Gladwell, Scripta mater., 2004, V.52, pp.107.

91. Desre P. J., Scripta mater., 1997, V.37, №6, pp.875-881.

92. Massalsky T.B., Subramanian P.R. et. al. (editors), Binary Alloy Phase Diagrams, 1990, V.l, 2, ASM International, Materials Park, OH, 216.

93. Зайдель A.H., Элементарные оценки ошибок экспериментов, с.92.

94. Жуховицкий А.А., Белащенко Д.К., Бокштейн Б.С. и др., Физико-химические основы металлургических процессов. М.: «Металлургия», 1973, 392 с.

95. Хаазе Р., Термодинамика необратимых процессов. М.: Изд. Мир, 1967, 544 с.

96. Eustathopoulos N., Int.Metals Rev., 1983, V. 28, p. 189.