Регистрация / Вход
Прислать материал

Кинетика проникновения галлия по границам зерен алюминия и сплава алюминий-цинк

ФИО: Карпушкина А.А.

Направление: Материаловедение

Научный руководитель: к.ф.м.н. Родин Алексей Олегович

Институт: Институт новых материалов и нанотехнологий

Кафедра: Кафедра Физической химии

Академическая группа: МФХ-14-1

В настоящее время известно несколько систем, в которых наблюдается эффект быстрого проникновения жидкого металла по границам зерен: медь-висмут, никель-висмут, алюминий-галлий. Следует подчеркнуть, что в системе алюминий-галлий образование трещинообразных каналов по границам зерен, заполненных жидким галлием, выражено наиболее ярко, а скорость их распространения, ведущая к разрушению, максимальна. Поэтому изучение кинетики проникновения жидкого галлия по границам зерен алюминия представляет значительный интерес.

Как и во многих других системах, когда твердый поликристаллический металл алюминий, находится в контакте с жидким металлом галлием, то при определенных нагрузках наблюдается хрупкое разрушение по границам зерен. Однако, имеются существенные отличия выбранной системы Al-Ga от других:

– эффект наблюдается при всех температурах существования жидкого галлия.

– скорость проникновения галлия по границам зерен Al даже в отсутствии внешних растягивающих напряжений составляет десятки микрон в секунду.

Приблизительно равные по размеру образцы сплава поочерёдно опускали в растворы и выдерживали в них разное время при комнатной температуре (24°С).

На поверхности образцов в растворе образовывались пузырьки газа, также наблюдалось помутнение раствора. После этого образцы тщательно промывали в дистиллированной воде и далее гнулись вручную. Также на поверхности появились вкрапления серых точек и матовый налет.

По истечении некоторого времени при приложении небольших напряжений на изгиб, на образце образовывались трещины, глубина трещины также увеличивалась при увеличении время выдержки. В конечном итоге, образец полностью разрушался.

Рисунок 1 – образец Al-4,7%Zn после выдержки 5 и 7 минут в 10 % растворе

По данным экспериментов, определены значения скорости проникновения галлия по границам зерен алюминия для сплава Al-4,7%Zn и чистого поликристаллического алюминия. После сравнения полученных результатов, выявлено, что легирование алюминия другими элементами замедляет процесс проникновения галлия по границам зерен. При жидкометаллическом охрупчивании был обнаружен эффект самозамедления, когда предварительное легирование твердого металла металлом, образующим жидкую фазу, приводит к резкому снижению скорости распространения трещины.

В сплаве Al-4,7%Zn наблюдается немонотонная зависимость скорости проникновения галлия от концентрации NaOH в растворе.

В результате проведенных опытов было установлено, что во всех случаях при выдержке образцов в галлий содержащих растворах присутствует время задержки, до которого образцы при деформации на изгиб, трещины не образовывались. Этого эффекта не наблюдается в случае прямого контакта алюминия с металлическим галлием.

Очевидно, что если проникновение обеспечивается при контакте жидкой прослойки металлического галлия, находящейся в контакте с поликристаллическим алюминием при выполнении условия полного зернограничного смачивания, то этапу проникновения должен предшествовать этап формирования прослойки.

Металлический галлий смачивает поверхность алюминия, а наличие щелочи в растворе обеспечивает очистку поверхности алюминия от оксида. За счет этого обеспечивается взаимодействие алюминия с водным раствором, которое приводит к образованию водорода, выделяющегося в виде газа.

Таким образом, существует некоторое время, которое необходимо для формирования сплошной пленки галлия.