Введение к работе
Актуальность темы исследования. В последние десятилетия интерес к исследованию и практическому применению сплавов в двухфазном состоянии растет из года в год. Жидко-твердое состояние сплава используется в различных областях промышленности: при рафинировании металлических сплавов из их отходов, для изготовления порошков, а также припоев используемых при пайке многоточечных неразъемных соединений в микроэлектронике и радиотехнике. Литье и штамповка легких сплавов в жидко-твердом и твердо-жидком состоянии стали определяющими технологиями в развитии заготовительных производств в мировом автомобилестроении. В технологии неразъемного соединения деталей широкое применение нашла контактно-реактивная пайка, в процессе которой некоторые авторы используют именно жидко-твердое состояние сплава.
Практическая значимость жидко-твердых (тиксотропных) сплавов вызывает неослабевающий интерес к изучению процессов, происходящих в этих сплавах, особенно исследованию влияния внешних воздействий на их параметры.
Эффективными способами воздействия на металлические расплавы являются пропускание постоянного электрического тока, создающего собственное магнитное поле, и приложение внешнего магнитного поля. Управление потоками ионов в металлах и полупроводниках дает возможность для их глубокой очистки от примесей, концентрирования микропримесей и разделения изотопов, выращивания монокристаллов и эпитаксиальных слоев металлов, интерметаллических и полупроводниковых соединений.
К настоящему времени практически неизученными остаются вопросы о влиянии внешних факторов на механизмы фазообразования в жидко-твердых сплавах с различным типом проводимости твердых включений. Дискуссионным остается вопрос о том, в какой момент при плавлении сплавов (кристаллов) образуются твердоподобные кластеры, обнаруживаемые многими авторами в результате электронно-микроскопических и фотоэлектронных данных. Нет однозначного ответа и на механизм формирования твердых включений в сплавах, находящихся в жидко-твердом состоянии. Таким образом, изучение процессов, происходящих в сплавах, находящихся в жидко-твердом состоянии, весьма актуально.
Цель работы: установление общих закономерностей влияния электромагнитных полей на фазообразование в жидко-твердых сплавах бинарных металлических систем с различной проводимостью твердых включений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Исследовать влияние постоянного электрического тока (ПЭТ) на фа-зообразование в жидко-твердых сплавах бинарных металлических системах Bi-Cd, Bi-In, Bi-Sn, Pb-Sn, Bi-Pb.
-
Изучить температурно-концентрационные и временные изменения в исследуемых объектах как в поле силы тяжести, так и при электромагнитном воздействии.
-
Изучить влияние ПЭТ и внешнего магнитного поля на микроструктуру жидко-твердых сплавов бинарных систем с полупроводниковыми и ферромагнитными твердыми включениями (In-Ge, In-Ni).
-
Исследовать полученные сплавы методами микротвердости, элек-тронно-зондового микроанализа (ЭЗМА) и рентгеновской дифрактометрии.
Объекты исследования
Объектами исследования являлись бинарные системы: Bi-Cd, Bi-Sn, Pb-Sn, Bi-In, Bi-Pb, In-Ge, In-Ni. Научная новизна
-
Впервые проведены исследования влияния электромагнитных полей на микроструктуру жидко-твердых сплавов бинарных металлических систем с полупроводниковыми и ферромагнитными твердыми включениями (In-Ge, In-Ni). Обнаружено изменение структуры образцов, подвергнутых электромагнитной обработке по-сравнению со структурой образца без внешних воздействий.
-
Впервые проведены исследования температурно-концентрацион-ных и временных изменений микроструктуры исследуемых объектов. Установлено значительное влияние электромагнитных полей на структуру и фазовый состав исследованных жидко-твердых сплавов.
-
Впервые проведено исследование фазообразования в жидко-твердых сплавах с переменой полярности тока на образцах. Обнаружено, что в системе Bi-Cd после образования конгломерата на аноде, перемена полярности ведет к значительным изменениям структуры закристаллизованных сплавов.
Практическая значимость
жидко-твердое состояние сплавов совместно с пропусканием постоянного электрического тока может применяться в практике рафинирования сплавов, очистки от низкопроводящих включений и получения металлических или полупроводниковых (моно-) кристаллов;
результаты исследований влияния электромагнитных воздействий на жидко-твердые сплавы могут быть использованы для интенсификации процессов плавления (растворения) в процессах пайки и для совершенствования структуры и фазового состава сплавов и зон пайки при неразъемном соединении разнородных материалов.
На защиту выносятся:
экспериментальное подтверждение предела выполнимости выражения И.М. Лифшица и В.В. Слезова для зависилюсти роста частиц от времени в жидко-твердых сплавах;
результаты экспериментов по изучению температурно-концентрацион-ных и временных зависимостей структурного состояния исследуемых сплавов;
результаты одновременного влияния ПЭТ и внешнего магнитного поля на микроструктуру жидко-твердых сплавов с полупроводниковыми и ферромагнитными твердыми включениями.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на II Международном семинаре «Теплофизические свойства веществ (жидкие металлы и сплавы, наносистемы)», п. Эльбрус (2006), I Международном Междисциплинарном симпозиуме «Плавление и кристаллизация металлов и оксидов», п. Лоо (2007), IV Российской конференции «Физические свойства металлов и сплавов», г. Екатеринбург (2007), I Международном Междисциплинарном симпозиуме «Физика низкоразмерных систем и поверхностей», п. Лоо (2008), П Международном Междисциплинарном симпозиуме «Плавление и кристаллизация металлов и оксидов», п. Лоо (2009), XVT Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (г. Волгоград, 2010), II Международном Междисциплинарном симпозиуме «Физика низкоразмерных систем и поверхностей», п. Лоо (2010), а также на научных конференциях и семинарах физического факультета Кабардино-Балкарского государственного университета (г. Нальчик, 2006-2011 гг.).
Основные этапы работы составили содержание исследовательских проектов, подтвержденных проектом в рамках программы «УМНИК», а также гранта РФИИ 06-08-96801-р_юг_офи.
Достоверность результатов, полученных в данной работе, определяется применением современных экспериментальных методик, воспроизводимостью результатов, согласованностью данных, полученных экспериментально, с теоретическими оценками, а также имеющимися литературными данными.
Личный вклад автора. В диссертации приводятся результаты в основном полученные лично автором. Цели и задачи исследования сформулированы научным руководителем проф. А.А. Ахкубековым. Он же принимал участие в выборе объектов исследования, обсуждении результатов, написании статей. Рентгенодифракционные исследования образцов проведены на базе физического факультета ЮФУ.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 16 работ, из которых 4 в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, основных выводов. Изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц, 54 рисунка и спискок литературы.
