CC BY
54
УДК 536.7
О. Ю. БЕРЕЗА (ДДАУ, Дшпропегровськ), О. В. БЕРЕЗА (НМетАУ, Дншропетровськ)
УТВОРЕННЯ НЕР1ВНОВАЖНИХ ТВЕРДИХ РОЗЧИН1В НА БАЗ1 ГЕРМАН1Ю В Al-Ge-СПЛАВАХ
У робот1 дослщжено фазовий склад i м1кроструктура швидкоохолоджених заевтектичних алюмшево-гермашевих сплавiв. Встановлено утворення нерiвноважних твердих розчинiв на 6a3i гермашю. Показано вплив швидкостi охолодження i вмюту германш на фазовий склад сплавiв.
Ключовi слова: твердий розчин, фазовий склад, заевтектичнi алюмiнieво-германieвi сплави, швидшсть охолодження
На тепершнш час вщомо, що висок швид-кост охолодження значно впливають на фазовий склад i процеси структуроутворення спла-в1в р1зних систем. Нер1вноважн1 умови фазових перетворень, значно змшюючи багато-яю па-раметри системи, спричиняють велику кшь-юсть специф1чних фазових та структурних ефе-кпв, що суттево розширюють й ур1зноман1т-нюють коло сплав1в дано! системи з р1зними властивостями [1-3]. Велию перспективи з цьо-го приводу мають системи ¡з фазовими реакщ-ями розпаду i, насамперед, системи з евтектич-ним перетворенням. Оскшьки властивосп ма-тер1ал1в залежать вщ фазового складу i будови матер1ал1в, то керування зазначеними параметрами дае можливють значного розширення характеристик сплавiв.
Метою дано! роботи було дослщження фазового складу заевтектичних сплавiв системи Al-Ge, тому що у попередшх дослiдженнях було доведено на прикладi доевтектичних спла-вiв, що швидке охолодження алюмшево-герма-шевих сплавiв може значно змiнювати !х фазовий склад i морфолопю [1]. Вiдповiдно до [4], рiвноважна дiаграма стану Al-Ge вiдбивае утворення твердих розчишв тiльки на основi алюмiнiю та евтектичне перетворення, яке вщ-буваеться за наступною фазовою реакщею: Р30,3 ^ а + Ge. Таким чином, рiвноважними фазами сплавiв дано! системи е алюмшевий твердий розчин а i германш (рис. 1).
Попередш дослiдження доевтектичних сплавiв дано! системи довели, що прискорення охолодження до 102...104 К/с призводить до значних змiн не тiльки в алюмшевому твердому розчинi а, стутнь пересичення якого на германш зростае бiльше нiж утричi порiвняно з рiвноважною розчиннiстю й становить 12,5 ат. % [5]. За результатами [6] у широкому дiапазонi концентрацш мае мюце метастабiльна кристатзащя, i виникае метастабiльна промiж-на фаза AlGe, яка мiстить значну частку легко-
плавкого компонента - алюмшю. Ця фаза разом ¡з пересиченим твердим розчином а' фор-муе метaстaбiльну квазiевтектику а' + AlGe, що було зафшсовано метaлогрaфiчно [6]. У той же час заевтектичним сплавам не було придшено значно! уваги. Саме тому в данш роботi й була поставлена задача встановлення особливостей фазового складу швидкоохолоджених заевтектичних сплaвiв системи Al-Ge.
Т, К
1000
800
600
933 К 30,3 AlGe
b 69' К c
с ' " 693 e - m
32 i i
Al
20
40 % 60
ат. %
Ge
Рис. 1. Р1вноважна [4] i частина метастаб1лъно! (пунктирш лшп) [1] д1аграми стану Al-Ge
Матерiали i методика експерименту
В якост вихщних мaтерiaлiв використову-вали елементи високого ступеня чистоти: германш - 99,9999 ат. %, алюмшш - 99,999 ат. %. Сплави виплавляли у вaкуумнiй печi опору СВГ-2.3/15ЭМ1 в aтмосферi аргону в алундо-вих тиглях. Температура перегрiву розплаву вище лiнi!' лiквiдус не перевищувала 30.50 К.
Для досягнення великих швидкостей охолодження шдготовлеш сплави переплавляли в сштовш печi тд шаром корнелiту (для попере-дження окислення), ретельно перемiшувaли (для уникнення лiквaцi! за питомою вагою) та виливали в охолоджену мiдну виливницю у ви-глядi клина. Швидюсть охолодження за висо-тою клиноподiбного зразка змiнювaлaсь вiд ~102 К/с у верхнш чaстинi до ~104 К/с у лезi клина за товщини 0,5 мм.
© О. Ю. Береза, О. В. Береза, 2011
Дослщження фазового складу та характеру розподшу елеменнв мiж структурними складо-вими сплавiв iз використанням електронного зонда проводили за допомогою рентгеноспект-ральних мiкроаналiзаторiв МС-46 «Сатеса» та СХ-42 «СатеЬах». Аналiз проводили за напру-ги 20 кВ та струму зонду 40 мА.
Якiсний аналiз виконували шляхом за-пису кривих розподiлу iнтенсивностi лiнiй А"а-випромшювання елеменнв при пересуваннi зонду вздовж вибраного маршруту, а також методом сканування за площиною, величину яко! вибирали в залежносп вiд компактносп струк-тури.
Кiлькiсний аналiз здшснювали на мшрозон-дi СХ-42. При дослщженш швидкоохолодже-них сплавiв системи А1-Ое як еталони викорис-товували чистий германiй та сполуку БеА13 . Склад структурно вiльних кристалiв фаз, евтек-тик та квазiевтектик дослiджували при розфо-кусованому зондi (дiаметр зонду дорiвнював -0Д-10-4 м). Через структурну однорiднiсть аналiзованих фаз робили поправку на погли-нання, атомний номер та флюоресценцiю. Ло-кальнiсть аналiзу становила (0,2...0,3)-10-5 м, сумарна похибка не перевищувала 3 % вщн.
Дослiдження мiкроструктури зразюв проводили на оптичному мшроскош №орЬо1>21.
Аналiз результатiв дослiдження фазового складу i структури заевтектичних сплавiв також виявив !х залежшсть як вiд хiмiчного складу сплаву, так i швидкостi охолодження.
Результати екперименту та 1х аналп
У дослiджених сплавах з 50 % ат. Ое та 55 % ат. Ое при швидкосп охолодження в дiа-пазонi 102...104 К/с мiкроструктура складаеться з наступних складових (рис. 2).
По-перше, як надлишковi були присутнi кристали гермашю (на рис. 2, а вони мають и-рий колiр). У той же час за результатами кшью-сного аналiзу встановлено наявнють достатньо високого ступеня розчинностi алюмшда в цих кристалах. У сплавi з 50 % ат. Ое при швидкосп охолодження 102 К/с вона досягае 11,1 ат. % А1, а при зростанш швидкосп до 104 К/с -7,1 ат. % А1.
Тобто в даному випадку можна стверджува-ти про утворення твердого розчину на основi гермашю, розчиншсть якого залежить вiд швидкостi охолодження. Тому цю фазу пропо-нуеться позначати як Р-твердий розчин.
У сплавi з 55 % ат. Ое при швидкосп охолодження 102 К/с кшьюсть алюмiнiю в кристалах Р-фази (рис. 4, б) становить 11,6 ат. % А1, а при зростанш швидкосп до 104 К/с - 6,7 ат. % А1.
Таким чином, аналiз отриманих результанв по-казуе, що не ильки швидюсть охолодження, а й вмют германiю в сплавi впливае на склад Р-твердого розчину.
Рис. 2. Мжроструктура заевтектичного сплаву з 55
ат. % ве: а - ¥охол = 102 К/с, х 250; б - ¥охол = + = 102 К/с, х 400; е - Кохол = 104 К/с, х 400
а
е
Й
ей <D
s
<D
ч
<D
m
80
60
40
20
ñ п
1
- I
1
г г II
□ Al
□ Ge
100
1000
го складу та морфологи. На рис. 5 схематично показано, що на AÍarpaMÍ стану Al-Ge юнуе область в-твердого розчину aлюмiнiю в германп та гшотетична область формування метастаб> льно! квaзiевтектичноl структури в дослщжува-них сплавах, яка знаходиться тд лшею ab.
Швидкiсть охолодження, К/с б
Рис. 3. Вплив швидкосп охолодження на склад тве-рдих розчишв на основi алюмiнiю (а) та германш (б) у сплавi з 50 % ат. ве
Другою складовою мшроструктури були обiдковi кристали а-твердого розчину (на рис. 2, а вони мають бший колiр), склад яких також змiнювався залежно вiд швидкостi охолодження (рис. 3, а i 4, а). Так, у сплавi з вмю-том 50 % ат. ве при швидкостi охолодження 102 К/с розчиннють досягла 4,9 % ат. ве, а при швидкостi охолодження 104 К/с - 10,5 % ат. ве. У сплавi з 55 % ат. ве щ цифри, вiдповiдно, дорiвнювали 5,7 та 9,9 % ат. ве (рис. 4). Таким чином, у даному разi i швидкiсть охолодження, i склад сплаву також впливали на розчиннють гермашю у а-твердому розчиш.
Крiм структурно вiльних кристaлiв спосте-рiгaли колонiaльнi структури двох морфолопч-них типiв: скелетного та стшьникового, базо-вими фазами яких були, вщповщно, Р-твердий розчин та метастабшьна промiжнa фаза А1ве [5] . Слщ зауважити, що скелетний тип колошально! структури на бaзi твердого розчину гермашю мае морфолопчну схожють iз ста-бiльною евтектикою дано! системи.
Таким чином, в залежносп вщ складу спла-вiв та швидкостi охолодження в системi А1-ве утворюеться цiлa низка метастабшьних переси-чених твердих розчинiв на основi обох компо-нентiв системи та колошальних структур рiзно-
б
Рис. 4. Вплив швидкосп охолодження на склад твердих розчишв на основ1 алюмшш (а) та германш (б) у сплав1 з 55 % ат. Ge
Т, К
1000
800
600
AlGe
К
а
А____ 1 ---V- — - -ч в
a ^ Ъ \
Al
20
40
80
Ge
Рис. 5. Д1аграма Al-Ge за результатами проведеного анал1зу
а
0
ат. %
Висновки
Встановлено, що у швидко охолоджених за-евтектичних сплавах системи Al-Ge змшюеться фазовий склад i структура сплаву. Доведено, що у сплавах Í3 вмютом 50...55 % ат. Ge утво-рюються твердi розчини на 6o3Í германiю рiзноl розчинносп. Показано вплив швидкостi охоло-дження i складу сплаву на параметри гермаше-вого твердого розчину.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Шмырева, Т. П. Быстроохлажденные эвтектические сплавы [Текст] / Т. П. Шмырева, Е. Ю. Береза. - К. : Наук. думка, 1990. - 144 с.
2. Дорогань, Т. Е. Анализ состава неравновесных фаз в бинарных сплавах и вольфрама на основе представлений о межатомном взаимодействии компонентов [Текст] / Т. Е. Дорогань // Вюник Дшпропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад.
Е. Ю. БЕРЕЗА, О. В. БЕРЕЗА
В. Лазаряна. - 2010. - Вип. 34. - Д. : Вид-во ДНУЗТ, 2010. - С. 199-205.
3. Береза, Е. Ю. О формировании квазиэвтектик на базе метастабильных фаз [Текст] / Е. Ю. Береза // Вюник Дшпропетр. ун-ту. Фiзика. Радюелек-трошка. - 2002. - Вип. 9. - С. 54-56.
4. Шанк, Ф. А. Структуры двойных сплавов. [Текст] / Ф. А. Шанк : [пер. с англ.]. - М. : Металлургия, 1973. - 760 с.
5. Береза, О. Ю. Метастаб№на квазiевтектична кристалiзацiя сплавiв [Текст] / О. Ю. Береза // Вюник Харк. нац. ун-ту iм. В. Н. Каразша. -2008. - № 794, вип. 1 (37). - С. 77-80.
6. Береза, Е. Ю. О структуре метастабильных эв-тектик [Текст] / Е. Ю. Береза // МИТОМ. -1987. - № 9. - С. 4-6.
Надшшла до редколегп 08.12.2011.
Прийнята до друку 20.12.2011.
ОБРАЗОВАНИЕ НЕРАВНОВЕСНЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ НА БАЗЕ ГЕРМАНИЯ В Al-Ge-СПЛАВАХ
В работе исследованы фазовый состав и микроструктура быстро охлажденных заэвтектических алюми-ниево-германиевых сплавов. Обнаружено образование неравновесных твердых растворов на базе германия. Показано влияние скорости охлаждения и содержания германия на фазовый состав сплавов.
Ключевые слова: твердый раствор, фазовый состав, заэвтектические алюминиево-германиевые сплавы, скорость охлаждения
O. Yu. BEREZA, O. V. BEREZA
FORMATION OF NON-EQUILIBRIUM GERMANIUM-BASED SOLID SOLUTIONS IN Al-Ge-ALLOYS
This article is devoted to the investigation of phase composition and microstructure of the higher cooled aluminum-germanium alloys. The formation of non-equilibrium germanium solid solutions is shown. The influence of the rate of cooling and the germanium percentage on the phase composition of alloys is shown.
Keywords: solid solution, phase composition, hypereutectic aluminum-germanium alloys, rate of cooling
