• Жевненко Сергей Николаевич
  • 2008
  • 24

Поверхностное натяжение свободной поверхности и границ зерен в системах на основе меди автореферат диссертации для написания диплома, курсовой работы, тема для доклада и реферата

Поверхностное натяжение свободной поверхности и границ зерен в системах на основе меди - темы дипломов, курсовиков, рефератов и докладов Ознакомиться с текстом работы
Специальность ВАК РФ: 01.04.07 — Физика конденсированного состояния
  • Реферун рекомендует следующие темы дипломов:
  • Термодинамические свойства поверхностей раздела
  • Измерение натяжения поверхностей раздела в чистых металлах и растворах с использованием равновесной конфигурации трех границ
  • Реферун советует написать курсовую работу на тему:
  • Механизмы деформации образцов в условиях экспериментов
  • Модели адсорбции на поверхностях раздела
  • Реферун советует написать реферат на тему:
  • Энергия взаимодействия растворенного вещества с поверхностью
  • Подготовка материалов и образцов
  • Реферун предлагает написать доклад на тему:
  • Измерение углов при вершине канавок термического травления
  • Поверхностное натяжение свободной поверхности и границ зерен сплавов на основе меди
  • Теория примесного торможения границ зерен
  • Физически корректный эксперимент по изучению миграции границ зерен
  • Твердофазное смачивание на границах зерен в системе гг
Поделиться с друзьями:

Выдержки из автореферата диссертации Жевненко Сергей Николаевич, 2008, 01.04.07 — Физика конденсированного состояния

Актуальность проблемы 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 А% - № 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 Удиным [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 с 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 (1п, Бп, 5Ь) 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 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 иенность 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 «Межкриегаплитные 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

Апробаиия работы и публикации Основные положения и отдельные разделы диссертации были доложены и обсуждены на - Международной школе "Mass and Charge Transport m Materials, MCTM-2004" (Краков, Польша июль 2004), Международной конференции "Актуальные проблемы прочности" (Витебск, Республика Беларусь, сентябрь 2004), Iй Международной школе "Физическое материаловедение" (Тольятти, Россия, ноябрь 2004), Международной конференции "XV Петербургские чтения по проблемам прочности" (Санкт-Петербург, Россия, апрель 2005), Международной конференции "Diffusion in Solids, DiSo-2005" (Москва, Россия, май 2005), 1ш, 2Ш и З2® Международных конференциях "Diffusion in Solids and Liquds, DSL-2005, DSL-2006, DSL-2007" (Авейро, Португалия, июль 2005, 2006, 2007), Международной конференции "EUROMAT-2005" (Прага, Чехия, сентябрь 2005), Международной конференции "Diffusion and Stresses, DS-2006" (Лиллафюред, Венгрия, сентябрь 2006), Международной конференции "XVII Петербургские чтения по проблемам прочности" (Санкт-Петербург, Россия, апрель 2007)

ВЫВОДЫ

1 Была развита методика нулевой ползучести по определению 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 1п, Зп и 8Ь, 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 В1 и ЭЬ 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 Си-Аи, 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 литературных источников

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

2 H Udin, A J Staler and J Wulff//MetaII Trans AIME, 1949, Feb, p 186

3 H Jones //Scnpta Metallurgy, 1972, vol 6,pp 423-430

4 MC Inman, D McLean and HRTipler//Proc Roy Soc 1963, A 273, P 538-557

5 E DHondros and D McLean//Phil Mag 1974, V 29, P 771-795

6 JH Hoage, //US Atomic Energy Commission Report HW-78132,1963

7 AM Pranatis, G M Pound //Trans AIME, 1955, A 203, p 664-668

8 Б С Бокшгейн, Д В Ваганов, С Н Жевненко, // ФММ, 2007, т 104, №6, с 586-593

9 М F Felsen, Р Regnier// Surf Sci 1977, v 68, p 410-418 /

10 MP Seah,ED Hondros//Proc R Soc, 1973,v A 335,p 191-212

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

1 Жевненко С Н Установка для определения поверхностного натяжения твердых металлов методом нулевой ползучести // Заводская лаборатория (диагностика материалов) - 2005 - Т 71 - № - С 44-47

2 D VaganovandS Zhevnenko, Determination of Copper Self-Diffusion Coefficients on the Base of High-Temperature Creep Data//Defect and Diffusion Forum -2006-V 249 - P 115-118

3 Жевненко С H, Смирнов А Н, Расчет поверхностного натяжения границ зерен в бинарных сплавах//Материаловедение - 2006- №4 - С 22-25

4 D VaganovandS Zhevnenko, Isothermes of grain boundary tension and gram boundary adsorption mCu-Sn system//Defect and Diffusion Forum 2006-V 258-260 -P 427-432

5 E Gershman and S Zhevnenko, Gram Boundary Surface Tension, Segregation and Diffusion in Cu-Sn System И Defect and Diffusion Forum 2007 - V 264 - P 39-46

6 В Bokstem, A Epishin, V Esm, A Rodin, S Zhevnenko and M Mendelev, Cross diffusion-stresses effects//Defect and Diffusion Forum -2007-V 264 - P 79-89

7 Б С Бокштейн, ДВ Ваганов, С Н Жевненко, Изотермы поверхностного натяжения свободной поверхности и границ зерен в системе Cu-Sn // Физика металлов и металловедение - 2007- Т 104 - К» 6 - С 586-593

8 Е Gershman and S Zhevnenko, Isothermes of surface and gram boundary tension of Cu-based

Поделиться с друзьями: