Влияние межкристаллитной внутренней адсорбции примесей на разрушение меди в контакте с жидким висмутом

УДК 669.046: 541.12.012.

, И, ,

Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк

влияние межкристаллитной внутренней адсорбции примесей на разрушение меди в контакте с жидким висмутом

В работе исследовалось влияние межкристаллитной внутренней адсорбции примесей на жидкометаллическую хрупкость.

Исследование влияния межкристаллитной внутренней адсорбции примесей на жидкометаллическую хрупкость проводили в системе медь и твердые растворы на ее основе с церием, сурьмой, бором и висмутом - жидкий висмут. Выбор примесей в сплавах проводился на основе расчета их энергии связи с границами зерен [1]. Все четыре выбранные примеси имеют высокие значения энергии связи с границами зерен, но качественно различный характер взаимодействия с охрупчивающим медь жидким висмутом: церий дает с висмутом ряд прочных химических соединений [2, 3], сурьма - непрерывный ряд твердых растворов [2, 3], бор имеет область расслоения в жидком состоянии, что свидетельствует о большой положительной энергии смешения в системе бор – висмут [2, 3].

Выплавка сплавов проводилась в графитовых тиглях в вакууме. Применяли медь чистотой 99,99 вес.%. Последняя механическая обработка - холодное волочение проволоки до диаметра 1 мм. Во всех сплавах рекристаллизационным отжигом в атмосфере аргона, по индивидуальному для каждого режиму, получали зерно размером 50 ±10 мкм. Для определения свойств ²чистой² меди использовали медь электронно-лучевой плавки с общим содержанием примесей не более 0,001 вес.%.

Адсорбционную активность примесей по отношению к границам зерен оценивали по измерениям зернограничного внутреннего трения. Считали, что концентрация примеси в сплаве, при которой наступает насыщение ²примесного зернограничного² пика внутреннего трения, соответствует адсорбционному насыщению границ зерен [4]. Измерения на образцах диаметром 1 мм, длиной 100 мм проводили на вакуумном релаксаторе с прямым крутильным маятником на рабочей частоте 2,2 Гц с фотозаписью виброграмм. Типичные результаты измерений внутреннего трения приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Зависимость²примесного зернограничного² пика внутреннего трения от температуры для различных сплавов по сравнению с чистой медью (1 – Cu, 2 – Cu-Ce, 3 – Cu-Sb, 4 – Cu-B, 5 – Cu-Bi, 6 – ²бамбук²)

Все выбранные примеси, несмотря на малую их концентрацию, меньшую предела растворимости, практически подавляют 300 –градусный зернограничный пик на кривой (Q-1)(t) чистой меди и дают характерный ²примесный² пик при более высокой температуре. На образцах со специально выращенным очень крупным зерном (²бамбуковая² структура) такие примесные пики отсутствуют, что свидетельствует об их зернограничной природе.

Рисунок 2 – Зависимость пластичности (ε, %) различных сплавов от состава и содержания примесей по сравнению с чистой медью

Механические испытания проводили растяжением с постоянной скоростью деформации de/dt=1,1×10-3 сек-1. На среднюю часть рабочей зоны образца диаметром 1мм, длиной 25 мм электролитическим осаждением из раствора BiOCl наносили слой висмута толщиной 5¸10 мкм в виде пояска шириной 12±2 мм. Растяжение проводили при температуре 300°С. Время от момента расплавления висмута до начала растяжения составляло 15±5 с. На одну точку испытывали 8-10 образцов. В качестве основной характеристики склонности к жидкометаллической хрупкости было выбрано относительное удлинение образцов до разрушения εр, так как технический предел прочности sр может расти в этих условиях за счет повышения сопротивления пластической деформации сплава по сравнению с чистым металлом.

Полученные результаты, представленные на рисунках 1, 2, 3, 4, 5 позволяют сделать следующие выводы:

1. Все исследованные примеси, склонные к межкристаллитной внутренней адсорбции, независимо от их химической природы и характера физико-химического взаимодействия с охрупчивающим жидким металлом, в той или иной степени повышают пластичность меди при разрушении в контакте с жидким висмутом.

2. Некоторое ослабление жидкометаллической хрупкости наблюдается в том случае, когда медь, деформируемая в контакте с жидким висмутом, предварительно легирована при выплавке малыми добавками висмута. Проведенные нами дополнительные испытания на воздухе при 300°С сплава меди с 0,001 ат% Bi показали, что относительное удлинение до разрушения εР такого сплава составляет 15%, т. е. значительно выше, чем при деформировании в контакте с жидким висмутом. Это показывает, что для появления хрупкости недостаточно иметь в вершине трещины атомы висмута, необходимо присутствие жидкой фазы охрупчивающего металла.

Рисунок 3 - Зависимость относительного удлинения до разрыва εР образцов сплавов Cu-Sb, испытанных в контакте с жидким Bi при температуре 300°С, и высоты зернограничного примесного (Sb) пика внутреннего трения QP-1 от содержания сурьмы в сплаве. (х – медь чистотой 99,99%)

3. Защитное действие примесей максимально, когда концентрация их в сплаве обеспечивает адсорбционное насыщение границ зерен (рисунки 4, 5). На это указывает тот факт, что с ростом концентрации примесей пластичность медных сплавов достигает максимума, примерно, при той же концентрации, при которой прекращается рост зернограничного примесного пика внутреннего трения.

4. Совместное легирование меди 0,26 %ат сурьмы и 0,06 %ат бора заметно более эффективно, чем легирование указанными примесями порознь (рисунок 2). Это еще раз свидетельствует об отсутствии заметной химической специфики защитного действия примесей и, вероятно, может быть объяснено более значительным, по сравнению со сплавами медь-сурьма и медь-бор, упорядочением структуры границ зерен и снижением их энергии при совместной адсорбции атомов сурьмы и бора на различных центрах в зоне межкристаллитной внутренней адсорбции.

5. Предварительная выдержка ненагруженных образцов в контакте с жидким висмутом приводит к падению пластичности при последующей деформации, что связывают с проникновением висмута по границам зерен и облегчением зарождения трещин. Примеси и в этом случае задерживают спад пластичности или полностью устраняют его (рисунки 2, 3), причем особенно интересно, что подобным образом действует и примесь висмута в меди. Таким образом, атомы висмута могут, как облегчать, так и затруднять зарождение и развитие трещин в зависимости от того, попадают ли они на границы зерен к вершине трещины в результате предварительной адсорбции из объема сплава, или из вне, из жидкой фазы.

Рисунок 4 - Зависимость относительного удлинения до разрыва εР образцов сплавов Cu-Bi, испытанных в контакте с жидким Bi при температуре 300°С, и высоты зернограничного примесного (Bi) пика внутреннего трения QP-1 от содержания висмута в сплаве. (х – медь чистотой 99,99%)

Рисунок 5 – Зависимость относительного удлинения до разрыва εР образцов сплавов Cu-B, испытанных в контакте с жидким Bi при температуре 300°С, и высоты зернограничного примесного (B) пика внутреннего трения QP-1 от содержания бора в сплаве. (х – медь чистотой 99,99%)

Проведено исследование влияния межкристаллитной внутренней адсорбции примесей на разрушение меди в контакте с жидким висмутом и сделаны соответствующие выводы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сарычев энергии связи примесей с границами зерен железа по бинарным диаграмма состояния / [и др.] // Изв. вуз. Черная металлургия, 2000. С. 40-41.

2. Структуры двойных сплавов / И. Хансен, К. Андерко.- М., Металлургиздат, 1962 г., 264 с.

3. Элиот двойных сплавов / .- М., Металлургиздат, 1970 г., 134 с.

4. Гликман возможности метода внутреннего трения / , .- М., Наука, 1973 г., 75 с.