Жидкометаллическое травление тройных стыков зерен в системе Cu-Bi тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Гулевский, Сергей Александрович

• Гулевский, Сергей Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Гулевский, Сергей Александрович

Введение.

Глава 1. Структура тройных стыков и их роль в процессах диффузии, миграции и жидкометаллического травления.

1.1. Тройные стыки. Строение и свойства.

1.1.1. Кристаллографические принципы описания тройных стыков.

1.1.2. Миграция тройных стыков.

1.1.3. Диффузия по тройным стыкам.

1.1.3.1. Модель ускоренной диффузии по тройным стыкам.

1.1.3.2. Экспериментальные результаты определения коэффициентов диффузии по тройным стыкам.

1.2. Жидкометаллическое травление.

1.2.1. ЖМТ границ зерен.

1.2.1.1. Морфология и кинетика развития канавок ЖМТ.

1.2.1.2. Роль фасетирования.

1.2.2. ЖМТ тройных стыков.

1.3. Постановка задачи.

Глава 2. Методика и проведение экспериментов.

2.1. Методические особенности эксперимента при исследовании жидкометаллического травления.

2.2. Характеристика используемых материалов, выбор системы для исследования.

2.3. Изготовление образцов.

2.3.1. Подготовка поликристаллических образцов и определение среднего размера зерна.

2.3.2. Обработки медных образцов в насыщенном расплаве висмута.

2.4. Метод «малоуглового» шлифа.

2.4.1. Приготовление «малоуглового» шлифа.

2.4.2. Подготовка поверхности шлифа.

2.5. Исследование на микроскопе.

2.6. Методы количественной обработки микрофотографий.

2.6.1. Компьютерная обработка микрофотографий.

2.6.2. Определение размера «розеток» по тройным стыкам.

2.7. Погрешности измерений.

2.7.1. Ошибка в определении глубины проникновения.

2.7.2. Ошибка в определении доли заполненных расплавом тройных стыков и границ зерен.

2.7.3. Ошибка в определении среднего угла схождения ф канала по тройному стыку.

2.7.4. Измерение температуры.

Глава 3. Результаты эксперимента.

3.1. Микроскопическое наблюдение образцов.

3.2. Результаты количественной обработки микрофотографий.

3.2.1. Максимальная глубина проникновения по тройным стыкам.

3.2.2. Зависимость размера «розеток» на тройных стыках от расстояния до межфазной поверхности.

3.2.3. Зависимость глубины проникновения расплава по тройным стыкам от времени.

Глава 4. Обсуждение результатов эксперимента.

4.1. Определение температуры смачивания тройных стыков зерен.

4.1.1. Анализ условий смачивания тройных стыков зерен на основе экспериментальных данных.

4.1.2. Теоретический анализ образования жидкометаллической канавки по тройному стыку зерен.

4.1.3. Развитие модели для случая, когда энергии границ зерен

Тгзь образующих тройной стык, не равны между собой.

4.1.2. Учет вклада от изменения энергии Гиббса АС{ при образовании канавки по тройному стыку.

4.2. Обобщенная картина проникновения жидкой фазы по границам зерен и тройным стыкам в поликристалле.

4.3. Анализ кинетики роста канавок по тройным стыкам зерен.

4.3.1. Неполное смачивание границ зерен и тройных стыков.

4.3.2. Полное смачивание тройных стыков и неполное границ зерен.

4.3.3. Полное смачивание границ зерен и тройных стыков.

4.4. Влияние оттока расплава из тройных стыков на глубину проникновения сплошного фронта по границам зерен.

Выводы.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Гулевский, Сергей Александрович

Выводы

1. Разработана новая экспериментальная методика «малоуглового» шлифа, позволяющая исследовать эффект жидкометаллического травления тройных стыков зерен при различных температурах и временах выдержки твердых поликристаллических образцов в расплаве.

2. Экспериментально установлено:

• Расплав активно проникает вглубь твердого металла по тройным стыкам зерен на порядок глубже, чем по границам зерен при одинаковых условиях.

• Ширина зоны проникновения расплава по тройным стыкам слабо зависит от времени.

• С ростом температуры и времени эксперимента глубина проникновения по тройным стыкам возрастает.

3. Получена экспериментальная зависимость доли заполненных расплавом тройных стыков и границ зерен от расстояния до межфазной поверхности жидкость — твердый металл для режимов обработки: 450°С — 8 часов; 500°С - 1, 2, 4, 8 и 16 часов; 550°С - 4 и 8 часов.

4. Для температуры 500°С экспериментально получена зависимость максимальной глубины проникновения жидкой фазы по тройным стыкам от времени, которая удовлетворительно описывается степенным законом И = А-1". Значение показателя п с учетом ошибки эксперимента составляет Уг.

5. Экспериментально определены температурные границы области перехода от неполного смачивания к полному смачиванию тройных стыков. Критерием перехода к полному смачиванию тройных стыков расплавом является стремление к нулю среднего угла ср в вершине канала по тройному стыку. В отличие от границ зерен (530-600°С) интервал этого перехода для тройных стыков ниже и составляет 450-500°С.

6. Предложена термодинамическая модель образования и роста жидкометаллической канавки по тройному стыку зерен. Получено выражение для изменения энергии Гиббса при формировании канавок по тройным стыкам, образованных границами зерен с различными значениями поверхностных энергий. Рассмотрено развитие модели с учетом энергии линейного натяжения тройного стыка. Получено уравнение, показывающее температурную границу области полного смачивания тройного стыка в зависимости от геометрических параметров канавки.

7. Проанализировано изменение доли тройных стыков и границ зерен по глубине проникновения расплава для всех экспериментально исследованных режимов обработки. Результаты анализа позволили предложить единый механизм распространения жидкой фазы в поликристаллическом металле, основанный' на представлении об опережающем проникновении фронта расплава по тройным стыкам с последующим оттоком расплава в границы зерен.

8. Построены кинетические модели распространения жидкой фазы по тройному стыку в предположении, что лимитирующим звеном процесса является диффузия через расплав. Решение полученных дифференциальных уравнений дало возможность получить закон роста /9 канала по тройному стыку для температуры 500°С: /г — / , что согласуется с экспериментально полученными данными.

9. Показано, что глубина проникновения жидкой фазы по границам зерен и тройным стыкам в поликристаллическом образце зависит от среднего размера зерна.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Гулевский, Сергей Александрович, 2008 год

1. Kronberg M.L., Wilson F.H. Some aspects of grain boundary structure / Trans of A1.E.-1949.-V.185.-PP.501-508.

2. Аристов В.Ю., Копецкий Ч.В., Швиндлерман Л.С., в сб. Основы материаловедения, М.: Наука, 1981, с. 84.

3. Shvindlerman L., Straumal В., Rabkin Е. et al. Phase transitions on grain boundaries / Defect and Diffusion Forum.-1993.-V.95-98.-P.405.

4. Straumal В., Gust W. Lines of grain boundary phase transition in bulk phase diagrams. / Mater. Sci. Forum.-1996.-V.207-209.-P.59.

5. Glickman E, Nathan M. / J. Appl. Phys.-1999.-V.85.-P.3185.

6. Bokstein В., Klinger L., Apikhtina I. Liquid grooving at grain boundaries. / Mater. Sci. Engng.-1995.-V.A203.-P.373.

7. Kogtenkova O., Straumal B-, Protasova S., Zieba PI The temperature influence on the faceting of S3 grain boundaries in aluminum / Defect and Diffusion Forum.-2005.-V.237-240.-PP.603-608.

8. Sursaeva V., Straumal B. Shape of Moving Grain Boundary and its Influence on Graain Boundary Motion in Zinc / Defect and Diffusion Forum.-2006.-V.249.-PP. 183-188.

9. Straumal B.B., Polyakov S.A., Mittemeijer E.J. Temperature influence on the faceting of 13 and £9 grain boundaries in Cu / Acta Mater.-2006.-V.54.-PP.167-172.

10. Protasova S.G., Kogtenkova O.A., and'Straumal* В. Faceting of E3 Grain boundaries in Al / Mater. Sci. Forum.-2007.-V.558-559.-PP.949-954.

11. Straumal B.B., Gornakova A.S. and Sursaeva V.G. Reversible transformation of grain-boundary facet into a rough-to-rough ridge in zinc / Philosophical Magazine Letters.-2007.-V. 1 -10.-iFirst.

12. Joseph В., Barbier F. and Aucouturier M. / Mater. Sci. Forum.-1999.-V.294-296. P.735.

13. Takashima M., Wynblatt P. and Adams B.L. / Interface Science.-2000:-V.9.-PP351-361.

14. Wolski K., Laporte V., Marie N., and Biskondi M. / Interface Science.-2001.-V.9.-PP.183-189.

15. Belousov V.V. Grain boundary wetting in ceramic cuprates. / J. Mater. Sci.-2005.-V.40.-PP.2361-2365.16: Bollmann W. / Phil. Mag. A, 49 (1984) p. 73.

16. Bollmann W. / Phil. Mag. A, 57 (1988) p. 637.

17. Bollmann W. / Mat Sci. Eng. A, 113 (1989) p. 129.

18. Ballman W. Crystal defects and crystalline interfaces, Berlin, Sprimger Verlag, 1970, P.368.

19. Randle V. The Measurement of Grain Boundary Geometry / BristolPhiladelphia: Inst, of Physics. 1993. 176 p.

20. Palumbo G., Thorpe S.J. and Aust K.T. / Scripta Met. Mat.-1990.-V.24.-P.1347.

21. Palumbo G., King P J., Lichtenberger P.C., Aust K.T. and Erb U. / Scripta Met. Mat.-1991 .-V.25 .-P. 1775.

22. Don J. and Majumdar S. / Acta Met.-1986.-V.34.-P.961.

23. Doni E.G. and Bleris G.L. /Phys. Stat. Sol. A.-1983.-V.110.-P.383.

24. Rändle V. / Mat. Sei. Tech.-1990.-V.6.-P.1231.

25. Rändle V. / Met. Trans. A.-1990.-V.21.-P.2215.

26. Palumbo G. and Aust K.T. / Scripta Met. Mater.-1990.-V.24.-P. 1771.

27. Brandon D.G./Acta Met.-1966.-V.14.-P.1479.

28. Rändle V. and Ralph B. / J. Mater. Sci.-1988.-V.23.-P.934.

29. Palumbo G. and Aust K.T. / Scripta Met.-1988.-V.22.-P.847.

30. Bollmann W. and Guo H. / Scripta Met.-1990.-V.24.-P.709.

31. Palumbo G. and Aust K.T. / Advanced Structural Materials (ed. D. Wilkinson) Pergamon, Oxford (1989) P.227.

32. Palumbo G. and Aust K.T. / Mat. Sei. Eng. A.-1989.-V.13.-P.139.

33. Clarebrough L.M. and Forwood G.L. / Phil. Mag. A.-1987.-V.55.-P.217.

34. Fortier P., Miller W.A., Aust K.T. Triple Junction and Grain Boundary Character Distribution' in Metallic Materials / Acta Mater.-1997.-V.45.-PP.3459-3467.

35. Czubayko U., Sursaeva V.G., Gottstein G.G., Shvindlerman L.S. / Acta Mater.-1998.-V.46.-P.5863.

36. Sursaeva V.G. and Protasova. S.G. Grain Structure evolution in 1-D rods and 2-D'strips of polycrystalline aluminum / Mat. Sei. Forum.-1999.-V.295-296.-PP.513-516.

37. Галина A.B., Фрадков B.E., Швиндлерман Л.С. / ФММ.-1987.ЛЛ63.-№.6.-СС.1220-1222.

38. Upmanyu М., Srolovitz D.S., Shvindlerman L.S., Gottstain G.G., Triple junction mobility: a molecular dynamic study / Interface Sci.-1999.-V.7.-PP.307-319.

39. Klinger L.M., Levin L.A., Peteline A.L. / Defect Diff. Forum.-1997.-V.143-147.-P.1523-1526.

40. Peteline A., Peteline S. and Oreshina O. Triple Junction Diffusion: Experiments and Models. / Defect Diff. Forum.-200l.-V.l94-199.-PP. 12651270.

41. Ivanov V.A., Ostrovsky A.S., Peteline A.L., Peteline S.A. / Defect Diff. Forum.-1998.-V.156.-P.223-228.

42. Kaur I., Gust W., Kozma L. / Handbook of Grain and Interphase Boundary Diffusion Data, Vol.2, Ziegler Press, Studtgart, 1993.

43. Lojkowski W., Rabkin E., Straumal B. and Gust W. / Interface Sci.-1998.-V.6.-PP.179-186.

44. Gutterez J.M., Meriaux J.P., Goutte R., Guillaud C. Observation of Gallium Diffusion in Aluminium Grain Boundaries by Atomic Ionoluminescence Microanalisis. Memories Scientifiques de la Revue de Metallurgie, Vol.71, No.l, 1974, pp.31-38.

45. Smith C.S. /Trans. AIME.-1948.-V.175.-P.15.

46. Бернштейн М.А., Займовский В.А. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1979, 495 с.

47. Миссол В. Поверхностная энергия раздела фаз в металлах. М.: Металлургия, 1978, 176 с.

48. Задумкин С.Н., Дохов М.П. К вопросу о поверхностной энергии металлов на границе раздела кристалл-расплав. Изв. АН СССР. Металлы. 1968, с.91-95.

49. Apykhtina I., Bokstein В., Khusnutdinova А., Peteline A. and Rakov S. / Defect Diff. Forum.-2001.-V.194-199.-PP. 1331-1336.

50. Бокштейн Б.С., Петелин A.JI., Раков C.B: Морфология и кинетика развития канавок жидкометаллического травления в системе Al-Sn. / Изв. вузов. Цвет. Мет.-2002.-№6.-С46.

51. Vogel H.J.,RatkeL. / Acta Met. Mat.-1991.-V.39.-№.4.-P.641.

52. Joseph В., Barbier F., Dagoury G. and Aucouturier M. / Scr. Mater.-1998.-V.39.-P.775.

53. Bokstein B.S., Apykhtina I.V., Ostrovskii A.S: et al. / Dif. Def. Data, Pt. A.-2001.-V.194-199.-P.1273.

54. Straumal B.B., Muschik Т., Gust W., Predel B. / Acta Met. Mat.-1992.-V.40.-№.5.-P:939:

55. Glebovsky V., Straumal В., Semenov V. et al. / High Temp: Mater. Proc.-1994.-V.14.-P.67.

56. Mullins W.W. / J. Appl. Phys.-1957.-V.28.-P!333.

57. Bishop G. Grain boundary penetration and embrittlement of nickel bicriystals by bismuth. / Trans. AIME.-1968.-V242.-P.1343.

58. Marie N., Wolski K., Biscondy M. Grain boundary penetration of nickel by liquid bismuth as a film of nanometric thickness. / Scripta Mat.-2000.-V.43.-P.943-949.

59. Glickman E., Nathan M. / J. Appl. Phys.-1999.-V.85.-P.3185.

60. Fradkov, V. / Scripta Metall. Mater.-1994.-V.30.-P.1599.

61. Bokstein В., Klinger L., Apikhtina I. Liquid grooving at grain boundaries. / Mater. Sei. Engng.-1995.-V.A203.-P.373.

62. Desre P. / Scripta Mat.-1997.-V.37.-P:875.

63. Rabkin E. / Scripta Mat.-1998.-V.39.-P.685.

64. Chatain D., Rabkin E., Derenne J. and Bernardini J. / Acta Mater.-2001.-V.49.-PP.1123-1128.

65. Рабухин В.Б., Паникарский A.C. / Поверхность.-1986.-№3.-С. 150.

66. Долгополов H.A., Петелин А.Л., Раков С.В., Симанов A.B. Проникновение жидкого олова по границам зерен и тройным стыкам алюминия / Известия вузов. Цветная металургия.-2007.-№2.-СС.42-46.

67. Straumal В.В., Kogtenkova О., Zieba P. Wetting transition of grain-boundary triple junction / Acta Mater.-2007.-V.XXX.-PP.XXX-XXX.

68. Петелин А.Л. Зернограничное смачивание в бинарных металлических системах. Эксперимент и теория / Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук, 2006.

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

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

71. Петелин А.Л, Апыхтина И.В, Гулевский C.A, Раков C.B. Взаимодействие металлических расплавов и твердых металлов / Технология металлов.-2004.-№8.-С.2.

72. Massalsky Т.В., Subramanian P.R. Binary Alloy Phase Diagrams / ASM international, Materials Park.-1990.-V.2.

73. Hanson D., Ford G.W. / J. Inst. Metals.-1929.-V.37.-P.169.

74. Бокштейн C.3., Гинзбург C.C., Кишкин C.T., Разумовский И.М., Строганов Г.Б. / Авторадиография поверхностей раздела и структурная стабильность сплавов. М.: Металлургия. 1987. 272с.

75. Гулевский С.А., Емелина Н.Б., Петелин А.Л. Жидкометаллическое проникновение висмута по границам и тройным стыкам зерен в меди / Изв.Вузов. Цветная металлургия.- 2006.-№2.-СС.74-77.

76. Бокштейн Б.С., Гулевский С.А., Емелина Н.Б., Петелин A.JI.

77. Апыхтина И.В'., Бокштейн Б.С., Петелин А.Л., Раков С.В., Родин А.О. Образование и рост канавок жидкометаллического травления по границам зерен в металлах / Поверхность, рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования.-2005.-№5.-СС.53-57.

78. Robertson W.M. Grain boundary grooving and scratch decay on copper in liquid lead/Trans. AIME.-1968.-V.233.-No.463.-PP.l 191-1199.

79. Allen B.C./Trans. AIME.-1969.-V.245.-P.1621.

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

81. Turnbull D., Cech R.E. / J. Appl. Phys.-1950.-V.21.-P.804. >

82. Скрипов В.П., Коверда В.П. M.: Наука, 1984. 232 с.

83. Dolgopolov N. Petelin A. Rakov S. Role of Diffusion as a Control Stage of a Grain Boundary Liquid Grooving. / Def and Diff. Foram.-2006.-V.249.-PP.227-230.

84. Жуховицкий A.A., Белащенко Д.К., Бокштейн Б.С. и др. Физико-химические основы металлургических процессов. М.: Металлургия, 1973,392 с.

85. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. М.: Металлургия, 1978, 248 с.

86. Adda Y., Philibert J. La diffusion dans les solids. Paris: Press Universitaires de France, 1966. V.2.

87. Петелин А.Л., Гулевский C.A., Костельцева Н.Б. Условия смачивания тройных стыков зерен при контакте расплава с твердым поликристаллом / Вестник Черкасского Университета, физ.-мат. науки.-2004.-Вып.62.-СС.33-39.

88. Петелин А.Л., Гулевский С.А., Костельцева Н.Б. Канавки жидкометаллического травления по тройным стыкам зерен / Поверхность.-2005.-№7.-СС.64-67.

89. Гулевский С.А., Клингер Л., Петелин А.Л. Образование канавок по тройным стыкам зерен при взаимодействии металлических расплавов с твердыми металлами / Технология металлов.-2007.- №8.-СС.13-14.