Поверхностное натяжение свободной поверхности и границ зерен в системах на основе меди тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Жевненко, Сергей Николаевич

• Жевненко, Сергей Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Жевненко, Сергей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Термодинамические свойства поверхностей раздела.

1.2. Измерение натяжения поверхностей раздела в чистых металлах и растворах с использованием равновесной конфигурации трех границ.

1.3. Метод нулевой ползучести.

1.4. Экспериментальные результаты измерения поверхностного натяжения свободной поверхности методом нулевой ползучести.

1.5. Механизмы деформации образцов в условиях экспериментов.

1.6. Модели адсорбции на поверхностях раздела.

1.7. Энергия взаимодействия растворенного вещества с поверхностью.

1.8. Связь поверхностного натяжения границ зерен с зернограничным коэффициентом диффузии. Формула Борисова.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

2.1. Подготовка материалов и образцов.

2.2Г Измерение деформации образцов.

2.3. Измерение углов при вершине канавок термического травления.

2.4. Оценка погрешностей измерения.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

3.1. Поверхностное натяжение свободной поверхности и границ зерен чистой меди;.

3.2. Поверхностное натяжение свободной поверхности и границ зерен сплавов на основе меди.

3.3.Модель поверхностного натяжения систем с неограниченной растворимостью. Поверхностное натяжение системы Cu-Au.

3.4.0тносительное адсорбционное поведение изученных систем. Корреляция

Хондроса и Сиха, «квазижидкостная» модель.

3.5. Результаты, сопутствующие экспериментам по нахождению нагрузки нулевой ползучести.

3.5.1. Зависимость размера зерен отожженных фольг от толщины.

3.5.2. Вязкость изученных сплавов.

3.5.3.0ценка коэффициентов объемной и зернограничной самодиффузии.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Поверхностное натяжение свободной поверхности и границ зерен в системах на основе меди»

Поверхностное натяжение является важнейшей характеристикой границ раздела. От этой характеристики зависят многие свойства материалов, такие как адсорбция, процессы фазовых превращений (зарождение и рост зерен, рекристаллизация, зернограничные фазовые переходы и др.), механические свойства и разрушение, в особенности хрупкое и т.д. Знание этой характеристики, а также ее изменения с концентрацией и температурой особенно актуально в настоящее время в связи с развитием науки о наноматериалах и использованием этих материалов в технике. Но если методики измерения поверхностного натяжения жидкостей достигли высокой точности и разнообразия, то поверхностное натяжение твердых тел измерить с точностью выше 15 - 20 % до сих пор не удалось. Данных по поверхностному натяжению границ зерен и межфазных границ особенно мало, и работы по его определению очень редки (последняя статья, известная нам, по определению межфазного поверхностного натяжения Ag - Ni принадлежит Спейпену [1]). Следует отметить, что имеющиеся температурные зависимости поверхностного натяжения свободной поверхности (СП) твердых металлов очень ненадежны и строились всего по нескольким точкам, а зависимость поверхностного ■ натяжения границ зерен от температуры и вовсе детально не изучалась.

Одним из наиболее распространенных методов измерения поверхностного натяжения СП твердых (металлических) фаз является метод нулевой ползучести, предложенный и реализованный для металлов впервые Уд иным [2]. Его суть состоит в изучении деформации объектов с развитой поверхностью (тонкие фольги, проволоки) под действием малых нагрузок, не превышающих предела текучести, и нахождении той нагрузки, которая полностью уравновешивает силы поверхностного натяжения. Реализация- этого метода связана со значительными техническими трудностями. В первую очередь, они касаются создания равновесных изотермических условий при температурах вблизи температуры плавления. Во-вторых, измерения столь малых деформаций (на уровне 10 мкм при размере всего образца в несколько сантиметров) требуют особой прецизионности. Следует отметить также, что эксперименты по нахождению нагрузки нулевой ползучести позволяют оценить ряд кинетических характеристик, таких как вязкость образцов, скорость объемной самодиффузии и др.

Знание поверхностного натяжения СП и угла, который образуется в вершине канавки термического травления в месте выхода границы зерна (ГЗ) на поверхность, позволяет определить поверхностное натяжение ГЗ. Этот метод определения поверхностного натяжения ГЗ носит название метода канавок термического травления и основан на применении условия механического равновесия Смита.

Зависимость поверхностного натяжения СП и ГЗ от состава позволяет определить адсорбцию на этих поверхностях и сопутствующее изменение свойств материала. Прямое наблюдение адсорбции на ГЗ методами ОЭС, ВИМС ограничивается растворами, склонными к хладноломкости, но для множества растворов это не так, и возникает задача определения адсорбции на внутренних поверхностях в сплавах, не склонных к хладноломкости.

Медь и ее сплавы нашли широчайшее применение в промышленности и такие процессы как пайка, создание композитных материалов неразрывно связаны сЧ^ понятием смачивания, то есть с условием равновесия сил поверхностного натяжения между различными фазами в месте их контакта. Поэтому изучение поведения. поверхностного натяжения СП меди от содержания легкоплавких примесей (индий, олово) представляет значительный интерес, которым и обусловлен выбор систем. В то же время, эти примеси негативным образом могут оказывать влияние на прочностные характеристики меди и ее сплавов, вызывая зернограничную хрупкость. Таким образом, именно комплексный подход к изучению влияния различных примесей на состояние внешних и внутренних поверхностей особенно важен для практического применения.

В связи с вышесказанным является актуальным развитие методик определения поверхностного натяжения СП и ГЗ, получение и систематизация новых данных.

Целью работы явилось: развитие методики измерения поверхностного натяжения СП, изучение влияние примесей (In, Sn, Sb) на поверхностное натяжение СП и ГЗ меди, а также изучение температурной, зависимости поверхностного натяжения ГЗ.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: разработаны методики экспериментов по определению поверхностного натяжения СП методом нулевой ползучести и поверхностного натяжения ГЗ методом канавок термического травления сконструирована экспериментальная установка и проведена модернизация сопутствующих измерительных устройств получены и проанализированы экспериментальные и литературные данные по зависимости поверхностного натяжения СП и ГЗ от температуры в чистой меди (99,995 вес. % Си) получены экспериментальные данные для систем с ограниченной растворимостью Cu-In, Cu-Sn, Cu-Sb в пределах твердых растворов на?п основе меди проанализированы литературные данные по системам Cu-Au, Cu-Bi, Cu-Sb рассчитаны и сравнены адсорбционные изотермы для вышеупомянутых систем рассчитаны коэффициенты диффузии по ГЗ с использованием данных об объемной диффузии и поверхностном натяжении ГЗ проанализированы сопутствующие данные о скорости деформации тонких фольг по механизму Набарро-Херинга

Основная научная новизна работы заключается в следующем: Установлены зависимости поверхностного натяжения свободной поверхности и границ зерен меди от содержания в ней In, Sn, Sb в пределах твердого раствора при температуре 1000 °С

Установлена зависимость поверхностного натяжения границ зерен чистой меди (99,995 вес. % Си) от температуры в интервале 800 - 1050 °С

Установлено влияние различных концентраций In, Sn, Sb на вязкость изученных образцов

Проанализирована связь поверхностного натяжения растворов со свойствами растворенных примесей

Практическая* ценность-, работы заключается в разработанной методике, которая, может быть использована для других металлических систем, в обнаруженных значениях поверхностного натяжения и адсорбционных параметров атомов In, Sn и Sb на СП'и ГЗ меди при 1000 °С, зависимости поверхностного натяжения ГЗ чистой меди (99,995 % вес. Си) от температуры, измеренной вязкости исследуемых образцов, оценке коэффициентов объемной и, зернограничной. самодиффузии, структурных исследованиях фольг. Результаты могут быть использованы в лекциях по спец. курсу «Межкристаллитные границы», а также в, лабораторных работах по курсу «Физико-химические измерения» для студентов, обучающихся по специальностям 0708 и 0709 и по направлению 110700

На защиту выносятся:

Измеренные концентрационные зависимости поверхностного натяжения СП меди от содержания In, Sn и Sb

Измеренные концентрационные зависимости поверхностного натяжения ГЗ меди.от содержания In, Sn и Sb

Измеренная температурная зависимость поверхностного > натяжения. ГЗ чистой меди (99,995 % вес. Си)

Измеренные коэффициенты вязкости исследуемых образцов и их зависимости от содержания примесей

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Жевненко, Сергей Николаевич

выводы

1. Была развита методика нулевой ползучести для определения поверхностного натяжения свободной поверхности металлов и сплавов. Основные усовершенствования связаны с • использованием в эксперименте одной цилиндрической фольги с разнонагруженными участками, а также использованием тройных стыков в качестве меток для измерения деформации. Это позволило снизить случайные ошибки и улучшить воспроизводимость экспериментов

2. Методом нулевой ползучести изучено влияние легкоплавких примесей, таких как In, Sn и Sb, на поверхностное натяжение свободной поверхности твердых растворов на основе меди при температуре 1000 °С в атмосфере водорода

3. Методом канавок термического травления определено влияние этих примесей на поверхностное натяжение границ зерен твердых растворов меди в тех же режимах

4. Изучена зависимость угз/Усп от температуры с использованием атомно-силовой микроскопии, а также проанализирована зависимость поверхностного натяжения СП от температуры с использованием данных, полученных в работе и найденных, в литературе.

5. Проанализированы литературные данные по влиянию примесей Bi и Sb на поверхностное натяжение СП и ГЗ меди. Анализ проводился тем же способом^ • • что и для собственных экспериментальных данных

6. Основываясь на теории Жуховицкого для поверхностного натяжения твердых. растворов, были описаны экспериментальные значения поверхностного натяжения непрерывного ряда твердых растворов Cu-Au, известных из литературы в предположении, что поверхностный раствор является регулярным, а объемный - совершенным.

7. Показано, что квазижидкостная модель границ зерен дает качественно правильные предсказания о влиянии примеси на поверхностное натяжение ГЗ

8. Обнаружено влияние примесей на коэффициент вязкости образцов: его величина растет с увеличением количества примеси, что связано, по всей видимости, с влиянием примесных атомов на эффективность внешних и внутренних поверхностей как источников и стоков вакансий.

9. Показано, что для систем металл (растворитель, Си, Fe) - металл (растворенное вещество, Аи, In, Sn, Sb, Bi) логарифм поверхностной активности примесей линейно зависит от разности молярных площадей растворителя и этой примеси.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Жевненко, Сергей Николаевич, 2008 год

1. D. Josell, F. Spaepen// Acta Met. Mat. 1993, Vol. 41, No. 10, pp. 3017 3027.

2. H. Udin, A. J. Shaler and J. Wulff// Metall. Trans. AIME, 1949, Feb., p. 186

3. G.Gottstein; L.S. Shvindlerman // Grain Boundary Migration in Metals: Thermodynamics, Kinetics, Applications.USA Florida: CRC Press LLC, 1999, 385 p.

4. Г. Глейтер, Б. Чалмерс // Болыпеугловые границы зерен М.: Мир, 1975, 376 с.

5. G. L. J. Bailey, Н. С. Watkins // Proc. Phys. Soc. 1949, V. 63 October, P. 350-358

6. J.E.Hilliard, M.Cohen and B.L. Averbach // Acta Met. 1960, V. 8, January, P. 26-31

7. M.C. Inman, D. McLean and H.R.Tipler// Proc. Roy. Soc. 1963, A 273, P. 538-557

8. E.D.Hondros and D.McLean // Phil. Mag. 1974, V. 29, P. 771-795

9. E.L.Maximova, L.S.Shvindlerman, B.B. Straumal// Acta Metall., 1988, v. 36, P. 15731583

10. R.L.Fullman // J. Appl. Phys., 1951, V.22, P. 448-455

11. W.T.Read, W. Shockley// Phys. Rev. 1950, V.78, P. 275

12. Д. M. Скоров, А. И. Дашковский, В. H. Маскалец и др. // Поверхностная энергия твердых металлических фаз. М.: Атомиздат, 1973, 172 с.

13. К. Мазанец, Е.Каменская // Физ. Мет. и Метал., 1961, т. 12, с. 91.

14. B.C. Allen // J. Les. Com. Met., 1972, v. 29, p. 263-282.

15. Д. Мак Лин // Границы зерен в металлах М.: Металлургиздат. 1960, 322 с.

16. M.D. Greenberg, J.N. Pryor, W.L. Elban // Mater. Sci. Eng. 1978, V. 33, p. 63 67

17. C.S. Smith// AIME Trans., 1948, vol. 175, p. 15

18. H. Jones // Scripta Metallurgies 1972, vol 6, pp. 423 430

19. D. Josell, F. Spaepen // Acta Met. Mat. 1993, vol. 41, No. 10, pp. 3007 3015

20. F.Y. Genin // Acta Metal. Mater. 1994, vol. 42, No. 11, pp. 3881 3885

21. TH. Heumann, J. Johannisson // Acta Metall., 1972, v. 20, P. 617-625

22. E.R. Funk, H. Udin and J. Wulf// J. Metals 1952, v.3, p. 1206

23. F.H. Buttner, E.R. Funk, H. Udin // J. Phys. Chem., 1952, v.56 p. 657-660

24. F.H. Buttner, H. Udin and J. Wulf// J. Metals 1952, v.4, p. 401

25. E.D. Hondros, D.Gladman // Surf. Sci., 1968, v.9, p. 471-475

26. E.R. Hayward, A.P. Greenough // J. Inst. Met., 1959, v.88, p: 217-220

27. E.A. Clark, R. Yeske, H.K. Birnbaum // Met. Trans. A, 1980, v.llA, p. 1903-1908

28. T.A. Roth // Mat. Sci. Eng. 1975, vol. 18, p. 183 192

29. L.E. Murr, R.J. Horylev, G.I. Wong // Surf. Sci. 1971, v.26, p. 184-196

30. A.T. Price, H. A. Holl, A.P. Greenough //Acta Met. 1964, V. 12, P. 49-58

31. E.D. Hondros // Acta Met. 1968, v.16, p. 1377-1380

32. H. Jones, Ш. Leak// Acta Met: 1966, V. 14, P. 21-27

33. L.E. Murr, G.I. Wong, R.J. Horylev // Acta Met. 1973, v.21, p. 595-604

34. E.D" Hondros // Met. Sci. J. 1967, v. 1, p. 36-39

35. M.P. Seah, E.D. Hondros // Proc. R. Soc., 1973, v. A 335, pd91-212

36. E.D. Hondros // Proc. R. Soc., 1965, v. A 286, p.479<

37. B.C. Золоторевский // Механические свойства металлов, М.: Металлургия, 1983, 352 с.

38. Й. Чадек // Ползучесть металлических материалов, М.: Мир, 1987, 304 с.

39. Н. Jones // Mater. Sci. Eng. 1969, v. 4, p. 106 114

40. H. Udin // Trans. AIME, 1951, v. 189, p. 63

41. J.H. Hoage, // U.S. Atomic Energy Commission Report HW-78132, 1963

42. A.P. Greenough //Phil. Mag. 1952, v. 43, p. 1075

43. B.H. Alexander, M.H. Dawson, H.P. Kling // J. Appl. Phys., 1951, V.22, P. 439

44. F.H. Buttner, E.R. Funk, H. Udin // Trans. AIME, 1952, v. 194, p. 401

45. L.F. Bryant, R. Speiser, J.P. Hirth // Trans. Met. Soc. AIME, 1968, v. 242, p. 1145

46. B.C. Allen//Trans. Met. Soc. AIME, 1966, v. 236, p. 903

47. A. Kuper, H. Letaw, H. Slifkin, E. Sonder, C.T. Tomizuka // Phys. Rev., 1954, v. 96, p. 1224

48. C.T. Tomizuka, E. Sonder//Phys. Rev. 1956, v. 103, p. 1182

49. S.M. Makin, A.H. Rowe, A.D. Leclaire // Proc. Phys. Soc., 1959, v. B70, p.545

50. R.E. Hoffman, E.W. Pickus, R.A. Ward // Trans. AIME, 1956, v. 206, p. 483

51. H.W. Mead, C.E. Birchenall // Trans. AIME, 1955, v. 203, p. 994

52. F.S. Buffington, K. Hirano, M. Cohen // Acta. Met. 1961, v. 9, p. 434

53. R. J. Borg, D. Y. F. Lai, O. Krikorian // Acta. Met. 1963, v. 11, p. 867

54. В. Mills, G.K. Walker, G.M. Leak // Acta. Met. 1965, v. 12, p. 939

55. W.C. Hagel // Trans. ACME, 1962, v. 224, p. 430

56. J. Askill, D.H. Tomlin // Phil. Mag. 1963, vol. 8, p. 997

57. Б.С. Бокштейн, М.И. Менделеев // Краткий курс физической химии, М.: ЧеРо, 2001,232 с.

58. А.А. Жуховицкий, JI.A. Шварцман // Физическая химия, М.: Металлургия, 1987, 688 с.

59. Межфазовая граница газ твердое тело.//Под ред.Э. Флада. М.:Мир, 1970, 434 с.

60. Б.С. Бокштейн, JT.M. Клингер, Г.С. Никольский, В.Е. Фрадков, JI.C. Швиндлерман // ФММ, 1979, т. 48, № 6; с. 1212-1219

61. JI.M. Утаевский, Е.Э. Гликман, Г.С. Карк // Обратимая отпускная хрупкость стали и сплавов железа, М.: Металлургия 1987, 222 с.

62. В.Т. Борисов, В.М. Голиков, Г.В. Щербединский // ФММ 1964, т. 17, вып. 6, сс. 881-885

63. В.Т. Борисов, В.М. Голиков, Г.В. Щербединский // Проблемы металловедения и физики металлов, Металлургиздат, 1962, с. 501

64. J. Pelleg // Phil. Mag. 1966, vol. 14, p. 595

65. W. Mullins // J. Appl. Phys. 1957, V. 28, №3, P. 333-338

66. W. Mullins // Trans. Met. Soc., I960; V. 218, P. 354-361

67. А.Уорсинг, Дж. Геффнер // Методы обработки экспериментальных данных,пер. с англ. Л.А. Шохат, М.: Издательство ин. лит., 1949, 364 с.

68. A.M. Pranatis, G.M. Pound // Trans. ACME, 1955, A 203, p. 664-668

69. Б.С. Бокштейн, Д.В. Ваганов, С.Н. Жевненко, // ФММ, 2007, т. 104, № 6, с. 586593

70. M.F. Felsen, P. Regnier// Surf. Sci. 1977, v.68, p. 410-418

71. H.V. Astrom // Acta. Met. 1956, v. 4, p. 562

72. E.D. Hondros // Proceedings Interfaces conference, Ed. Gifkins R.C., Melbourne 1969, p. 77

73. И. Пригожин, P. Дефей // Химическая термодинамика, Новосибирск: Наука, 1966, 504 с.

74. L.S. Shvindlerman, G. Gottstein // Mat.Sci.Forum 2007, Vols. 558-559, p. 675-682

75. K. Watanabe, M. Hashiba, T. Yamashina // Sur. Sci. 1976 V. 61, p. 483-490

76. Б.С. Бокштейн, Ч.В. Копецкий, JI.C. Швиндлерман // Термодинамика и кинетика границ зерен в металлах. М.: Металлургия, 1986. 224 С.

77. В.Ю. Аристов, В.Е. Фрадков, JI.C. Швиндлерман // ФММ, 1978, т. 45, № 5, с. 997-1008

78. S. Fujikawa, K.I. Hirano // in Proc. of Yamada Vth Conf. on Point Defects and Defect Interactions

79. T. Surholt and Chr. Herzig // Acta Mater. V. 45, No. 9 (1997), p. 3817