CC BY
12
дается при длине волны ~ 640 нм, связанный с возникновением дифракционного максимума в слое диэлектрика. Резонанс на длине волны ~ 450 нм связан с возникновением следующего дифракционного максимума в воздухе.
Таким образом, методом частичных областей решена задача дифракции электромагнитной волны на металлической решетке с конечной проводимостью. Расчеты показали быструю сходимость решения. Установле -но наличие высоких значений коэффициента передачи света через наност-руктурированные металлические решетки.
Литература
1. Salomon L. et al. // Physical review letters. 2001. Vol. 86. № 6. P. 1110.
2. Martin-Moreno L. et al. // Physical review letters. 2001. Vol. 86. № 6. P. 1114.
3. Schroter U, Heitmann D. // Physical review. 1998. B. Vol. 58. № 23. P. 15419.
4. www.luxpop.com.
5. Лерер А.М., Калинченко Г. // Радиотехника и электроника. 2003. Т. 48. № 8. С. 1. Ростовский государственный университет 21 ноября 2005 г.
УДК 532
КОНТАКТНОЕ ПЛАВЛЕНИЕ В СИСТЕМЕ Sn-Pb-Cd ПРИ НАЛИЧИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕНОСА И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНТАКТНЫХ ПРОСЛОЕК
© 2006 г. З.М. Кумыков, А.М. Багов, С.Н. Ахкубекова
The nature of contact melting is discussed in the light of new idea: the first drops of liquid phase on contact surface is obliged to melting of nanosize defects: buttresses, islands, adatoms etc.
Расплавы, образующиеся в процессе плавления одно- и многокомпонентных металлов, являются микронеоднородными в широких температурном и концентрационном интервалах [1]. Поэтому возникает ряд вопросов: на какой стадии процесса плавления образуются эти неоднородности? От чего зависят их размеры и формы? Можно ли контролировать их параметры? Важную информацию о структурном состоянии сплавов дают комплексное исследование их свойств от концентрации и температуры, т.е. диаграммы состояния, а также изучение явления контактного плавления (КП), особенно в многокомпонентных системах тесно связанного с диаграммой состояния.
Согласно [2], область между ликвидусом и солидусом в двухкомпо-нентных системах делится на сплавы, находящиеся в твердо-жидком (диспергированном) состоянии (сплав обладает основными свойствами твердого тела сохранять ту форму, которую он имел изначально), и сплавы,
находящиеся в жидко-твердом (микронеоднородном) состоянии (сплав обладает основными свойствами жидкого тела принимать форму сосуда). Со структурой сплава в жидко-твердом состоянии связаны ее склонность к ликвации по удельному весу и способность к заполнению формы в процессе кристаллизации.
Существование указанных состояний (твердо-жидкого и жидко-твердого) дает основание заключить, что начальная стадия плавления (в том числе КП) - процесс стадийный [3]: образованию статистически однородной жидкости предшествуют твердо-жидкое и жидко-твердое состояния. На начальной стадии плавления в основном участвует поверхность кристалла и границы зерен в сплавах (межфазная поверхность). Формирующиеся таким образом области (очаги) могут служить прототипами а и в фаз при формировании эвтектик и в определенной степени предопределять микрогетерогенность жидких металлов (сплавов).
В пользу точки зрения о существовании промежуточного жидко -твердого состояния при плавлении кристаллов говорят и результаты электронно-микроскопических и фотоэлектронных данных, полученных в работах [4, 5]. Например, в работе [5] отмечается, что плавление конденсированной пленки индия сопровождается частичным сохранением металлической фазы индия с решеткой Т2. Возникает вопрос, в какой момент образовались «металлические фазы индия» в жидком индии, перегретом над точкой плавления на 150-200 °С [5]? Ответ на поставленный вопрос, на наш взгляд, один: они появляются на стадии образования твердо-жидкого расплава, уменьшаясь в размере (растворяясь) с повышением температуры расплава. Существование стадийности плавления сплавов подтверждено в работах [6, 7].
На наш взгляд, изучение КП в двух и более компонентных системах способствует более глубокому пониманию физики зарождения и развития микронеоднородностей при плавлении металлов и сплавов.
Контактное плавление, особенно в многокомпонентных системах, осуществленное в нестационарно-диффузионном режиме (НДР) [8] широко используется как способ реализации сплавов, находящихся в жидко-твердом и твердо-жидком состояниях. В жидко-твердых зонах твердые частицы одного или нескольких компонентов находятся в равновесии с насыщенным жидким расплавом. В то же время механизм и кинетика образования твердо-жидких и жидко-твердых зон требуют дальнейшего, углубленного изучения. Особенно полезным является изучение КП при наличии внешних воздействий (электромагнитное поле, давление, ультразвук, облучение и др.), так как это позволяет управлять структурой и фазовым составом расплава, образующегося в процессе КП: размерами, формой и местоположением твердых включений.
В данном сообщении приведены результаты исследования КП системы Sn-Pb-Cd при наличии электропереноса (ЭП), различных временах и
температурах, а также их некоторые физико-химические свойства после кристаллизации.
Следует отметить, что кинетика КП в изучаемых сплавах в (НДР) тройной системы 8п-С^РЬ при наличии ЭП исследуется впервые. Изотермический разрез тройной диаграммы состояния для первого сплава системы Sn-Pb-Cd характерен тем, что в жидкой прослойке должны образовываться две жидко-твердые зоны: (а + ж) и (у + ж) и жидкая зона между ними [9].
На рис. 1. приведены фото микроструктур закристаллизованных контактных прослоек, полученных между сплавами (8п + 20 вес. % РЬ) и (Сd + 20 вес. % РЬ) при прохождении тока плотностью 0,5 А/мм2 (рис. 1б, в) и без тока (рис. 1а) по методике, предложенной выше. Опыт проводился в течение 8 ч при температуре Т = 150 °С.
A B
Рис. 1. Структура (х20) (А) и зависимость протяженности (В) контактных прослоек: а — без тока; б — при ускоряющем; в — при замедляющем направлениях тока
Как видно из рис. 1А, структура контактных прослоек, полученных при наличии ЭП, отличается от таковых в случае отсутствия тока. Отличие наблюдается и в структуре прослоек, полученных при различных направлениях тока (рис. 1А, б, в). При положительной полярности на верхнем образце протяженность контактной прослойки больше (для данного времени), чем в бестоковом и противоположном направлении тока. Увели -чение произошло за счет протяженности жидко-твердых зон. На этом образце наблюдается также определенная искривленность границы жидкая-жидко-твердая, в то время как на двух других она практически ровная.
Структура контактной прослойки в бестоковом варианте опыта состоит из трех зон: 2-х жидко-твердых и одной жидкой. В жидко-твердых зонах частицы имеют в основном округлую форму, разделены жидкостью, с которой находятся в равновесии. Характерно, что размеры частиц в жидко-твердой зоне укрупняются по мере удаления от исходного сплава, т.е. час-
тицы, которые «родились» раньше, - крупнее. Возможные механизмы такого поведения частиц могут быть следующие.
Под действием тока структура контактных прослоек значительно меняется. Ток способствует растворению частиц с г < гкрит и укрупнению частиц с г < гкрит за счет переноса к ним массы растворенных малых частиц. В отличие от бестоковых образцов, где имеется чистая жидкая зона, в токовых образцах в той же жидкой зоне образуются включения в виде протяженных дендритов. Последнее, возможно, связано с избирательным действием тока на ионы отдельных компонент расплава, и как результат пересыщение в локальных областях данным компонентом.
На рис. 1В приведена зависимость протяженности контактных прослоек д2 от времени опыта - т. Обращает на себя внимание то, что ход зависимости д2(т) при замедляющем направлении тока (рис. 1В, в) дважды пересекает кривую зависимости ускоряющего направления тока (рис. 1В, б) и один раз прямую бестокового варианта опыта (рис. 1В, а). Предполагается, что это связано с инверсией эффективного заряда одного из компонентов в 3-компонентной системе [10]. Нелинейный ход зависимостей д2(т) при наличии ЭП говорит о влиянии электромагнитных сил на структурные составляющие образующейся жидкой прослойки.
На рис. 2А приведены шлифы микроструктур закристаллизованных контактных прослоек, полученных между сплавами (8и - 20 вес. % Сф-(8и - 20 вес. % РЬ) при Т = 150 °С, времени опыта 8 ч и плотности тока у = 0,5 А/мм2. Отличительной особенностью данного разреза диаграммы состояния от вышеописанного является то, что линия, соединяющая эти сплавы, проходит через область, которая представляет собой только жидко-твердую область, и не проходит через эвтектический треугольник, отсутствует «чисто» жидкая зона. Такое положение дел отразилось на структуре зоны соединения этих сплавов, скорости КП окп, а также на физико-химических свойствах контактных прослоек.
Из рис. 2 видно, что имеются значительные различия в протяженности контактных прослоек, форме и размерах твердых включений, плотности их упаковки, в ширине и протяженности жидких «каналов», омывающих твердые включения. Видно изменение микротвердости в различных областях контактных прослоек (рис. 2А, г).
Для зависимости д2(т) при КП во второй паре сплавов характерен, также как и для первой пары сплавов, неадекватный его ход в случае замедляющего варианта опыта (рис. 2 А, в). Кривая (в) в отличие от приведенной на рис. 1В, в дважды пересекает линию а (которая является линейной) и не пересекает кривую б. Все это говорит о сложном характере влияния тока на процесс переноса структурных единиц жидкости, особенно когда она изначально неоднородная, микрогетерогенная. Отметим, что указанные особенности строения исходных структур контактируемых сплавов, формирование контактных прослоек, особенно при наличии внешних
факторов, сказывается на кинетике процесса КП, прежде всего на ее протяженность.
а б в г и ; j s а ю
A B
Рис. 2. Структура (х20) (А) и зависимость протяженности (В) контактных прослоек: а — без тока; б — при ускоряющем; в — при замедляющем направлениях тока; г — изменение микротвердости вдоль контактной прослойки
Таким образом, состав исходных образцов и электрический ток, проходящий через контактную прослойку, образующуюся в процессе КП, существенно влияет на параметры КП. Например, сравнение протяженно -сти контактных прослоек в исследованных парах сплавов показывает значительное отличие при идентичных условиях опыта: т = 8 ч, Т = 150 °С, у = 0,5 А/мм2.
В табл. 1 представлено влияние постоянного электрического тока для первого и второго варианта опытов.
Таблица 1
Влияние постоянного электрического тока*
Полярность на верхнем образце 0 + -
51 (первая пара сплавов) 5,5 7 6,3
52 (вторая пара сплавов) 2,7 2,9 2,6
* Точность измерения протяженности зон 0,01 мм.
Наблюдаемое уменьшение в д во втором случае можно объяснить отсутствием протяженных «жидких» зон вдоль контактных прослоек, что ведет к процессу диффузии через твердые частицы или огибанию атомами компонентов твердых частиц.
Указанные выше факторы сказываются также на ряде физико-химических свойств исследованных контактных прослоек.
В табл. 2 приведены результаты коррозионной стойкости (коэффициент к), микротвердости (Им) и удельного электросопротивления р контактных
прослоек, полученных при разных режимах пропускания тока и без тока. Коррозионная стойкость контактных прослоек исследовалась в азотной кислоте.
Таблица 2
Сравнение режимов пропускания тока и без тока
(80%Sn + 20%Pb)-(80%Cd + 20%Pb) Структура зоны контактной прослойки Полярность на верхнем образце
+ - без тока
k г мм2 • мин 0,014±0,001 0,007±0,001 0,024±0,001
Ж + ß 35,8 35,9 35,6
Жидкость 30,4 28,4 30,2
Ж + у 29,5 26,6 28,9
Как следует из полученных результатов, обнаруженные изменения структуры и коррозионной стойкости сплавов, закристаллизованных под током, зависят от плотности, направления и длительности пропускания электрического тока.
В табл. 3 приведены результаты удельного электросопротивления в сплавах второй пары.
Таблица 3
Удельное электросопротивление в сплавах второй пары
(Sn80 + Pb20) - (Cd80 + Pb20)
p, мкОм-см, при 25 °С
(Pl)n (Pl)n (p)n C°0.2)n (P+,2)n (Pl,2)n m И
14,76 9,59 (9,58)* 24,35 10,97 11,5 11,35 0,549 0,528 0,534
(Sn80 + Cd20) - (Sn80 + Pb20)
(P1)s (p2)s (P)s (P1,2)s (Pu)* (Pu)* m m
11,72 13,69 25,41 13,82 13,55 16,23 0,456 0,467 0,361
* (9,58) источник [11]. Обозначения: (8п80 + РЬ20) - А; (С(180 + РЬ20) - В, (8п80 + С(120) - С; [(8п80 + РЬ20) - (СЯ80 + РЬ20)] - п; [(8п80 + С(120) - (8п80 + РЬ20)] - я; (р)„, (р)„ - удельные сопротивления сплавов А и В; (р)п = (р1)п + (р2)п; С°0.2)п, С°+.2)п, (р12)п - удельные сопротивления сплавов А и В при наличии между ними контактной прослойки без тока, ускоряющем и замедляющем направлениях тока; | Р-| , ( Р~Р+ | , ( Р~Р | - относитель-
I Р )п I Р )п I Р )п
ные удельные сопротивления в без токовом, ускоряющем и замедляющем направлениях тока. В нижней части табл. 3 представлены аналогичные значения для системы с индексом з.
Из анализа табл. 3 видно, что общее сопротивление системы последовательно соединенных образцов разного состава и компонентов, полученное методом контактного плавления, меньше 1,5-1,8 раза) по сравнению с суммой сопротивлений отдельных образцов, что связано со структурой контактных прослоек. Имеется также отличие между обработанными постоянным электрическим током образцов.
Таким образом, установлено влияние электрического тока на структу-рообразование в контактных прослойках трехкомпонентной системы Sn-Pb-Cd. Кинетика процесса КП зависит от разреза диаграммы состояния и направления электрического тока.
Показано влияние электрического тока на коррозионную стойкость, микротвердость и удельное сопротивление контактных прослоек в зависимости от состава исходных сплавов и электрического тока различных направлений.
Литература
1. Жукова Л.А., Головушкина Л.П., Солнцева О.П. // Металлургия и образование: Материалы I Междунар. конф. Екатеринбург, 2000, С. 131-133.
2. Бочвар А.А., Новиков И.И. // Изв. АН СССР. № 2. 1952. С. 217-224.
3. Ахкубеков А.А., Байсултанов М.М., Зубхаджиев М.-А.В., Кумыков З.М. // Вестн. КБГУ. Сер. физ. науки. 2003. Вып. 8. С. 24-30.
4. Уббелоде А.Р. Расплавленное состояние вещества. М., 1982.
5. Майборода В.П., Максимова Г.А., Синельниченко А.К. // Расплавы. 1994. № 6. С. 13-21.
6. Белоусов O.K. // Металлы. 1996. № 5. С. 51-53.
7. КучеренкоЕ.С. // Изв. АН СССР. Металлы. 1986. № 5. С. 92-93.
8. Ахкубеков А.А. Диффузия и электроперенос в низкоплавких металлических системах при контактном плавлении: Дис. ... д-ра физ.-мат. наук. Нальчик, 2001.
9. Динаев Ю.А. Контактное плавление многокомпонентных систем: Автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. Нальчик, 1990.
10. Белащенко Д.К. Исследования расплавов методом электропереноса. М., 1974. С. 88.
11. Вол А.Е., Каган И.К. Строение и свойства двойных металлических систем. Т. 4. М., 1979.
Кабардино-Балкарский государственный университет 10 ноября 2005 г
