» » Зависимость адсорбционных эффектов от величины свободной энергии границы твердый - жидкий металлы
11.01.2015

Адсорбционная природа воздействия жидкого металла на твердый особенно убедительно демонстрируется, когда изменение свободной энергии границы твердый — жидкий металлы установлено прямыми опытами. На рис. 136 показана зависимость энергии границы твердая медь — жидкометаллический сплав Bi—Pb от состава последнего при температуре 350° С. Из графика видно непрерывное понижение поверхностной энергии с изменением состава расплава: от 390 эрг/см2 для границы с чистым свинцом до 280 эрг/см2, с чистым висмутом. Особенно сильное уменьшение поверхностной энергии наблюдается в интервале концентраций свинца от 80 до 40 %.
В работе приведены результаты испытаний меди на кратковременный разрыв в расплавах Bi—Pb. Оказалось, что изменение предела прочности и относительного удлинения находится в строгом соответствии с изменением поверхностной энергии при изменении состава жидкого металла, что доказывает адсорбционное происхождение наблюдавшихся эффектов. Этот вывод был бы еще более убедительным и общим, если бы аналогичная закономерность была получена при другом виде испытания. Поэтому были проведены испытания меди на ползучесть и длительную прочность в расплавах Bi—Pb различного состава.
Испытания проводили при одноосном растяжении трубчатых точеных образцов с толщиной стенки 0,5 мм по методике, описанной выше. Образцы изготовляли из меди марки М-1, подвергали отжигу при температуре 600° С в течение 2 ч в вакууме около 10в-4 мм рт. ст.
Зависимость адсорбционных эффектов от величины свободной энергии границы твердый - жидкий металлы

Все испытания на длительную прочность и ползучесть проведены при напряжении 5 кг/мм2 и температуре 350° С. Зависимость времени до разрушения меди от состава жидкого металла изображена на рис. 137, а. Видно, что продолжительность жизни образцов под постоянной нагрузкой закономерно снижается при увеличении содержания висмута в расплаве. Причем величина снижения довольно значительна; так, если в свинце время до разрушения образца составляет 540 ч, то в жидком висмуте образец разрушается уже через 17 ч. Характерно, что вид кривой длительной прочности на рис. 137, а аналогичен кривой межфазовой энергии, изображенной на рис. 136. Резкое изменение времени до разрушения происходит при изменении содержания свинца в сплаве от 40 до 80%, т. е. в том же интервале, где резко меняется величина межфазовой энергии.
На рис. 137, б показана зависимость относительного удлинения образцов к моменту разрушения от состава жидкометаллической среды. Из графика следует, что с увеличением содержания висмута в сплаве, т. е. с понижением поверхностной межфазовой энергии, происходит непрерывное уменьшение пластичности меди. Относительное удлинение образца, испытанного в свинце, равно 14,95%, а в висмуте — 2,69%. И в этом случае кривая на рис. 137, б подобна кривой на рис. 136.
Зависимость адсорбционных эффектов от величины свободной энергии границы твердый - жидкий металлы

Влияние состава жидкометаллической среды, а следовательно, и межфазовой энергии на скорость ползучести меди показано на рис. 138. Понижение межфазовой энергии вызывает увеличение скорости ползучести меди. Влияние среды отражается как на скорости установившейся ползучести (рис. 138, а), так и на средней скорости ползучести на первом периоде (см. рис. 138, б). Для того чтобы установить, когда влияние жидкого металла больше — в начале процесса ползучести или на установившейся стадии, — была построена зависимость отношения скоростей ползучести меди в расплавах Bi—Pb к соответствующим скоростям ползучести в чистом свинце (рис. 139). Из этой зависимости следует, что поверхностно-активный жидкий металл в большей мере вызывает увеличение скорости ползучести в начале процесса, т. е. на его первом периоде, чем на втором. Из рис. 139, кроме того, видно, что степень влияния на ползучесть, а также различие в степени влияния на первом и на втором периодах увеличиваются с увеличением поверхностной активности жидкометаллической среды.
Зависимость адсорбционных эффектов от величины свободной энергии границы твердый - жидкий металлы

Таким образом, приведенные выше экспериментальные данные отчетливо показывают, что снижение межфазовой энергии на границе твердый металл — жидкометаллический расплав вызывает совершенно закономерное снижение длительной прочности и пластичности и увеличение скорости ползучести твердого металла. Следовательно, они позволяют с уверенностью говорить об адсорбционном влиянии жидкого металла на процессы деформации и разрушения в условиях испытания материала на ползучесть и длительную прочность.
Ранее указывалось на увеличение под действием жидкометаллической среды количества и протяженности трещин, образующихся и структуре деформируемого металла, на изменение характера разрушения — переход от внутрикристаллитного к межкристаллитному. Представляло интерес выяснить, не происходит ли под действием адсорбционноактивного жидкого металла более тонких изменений в структуре. Таких изменений следует ожидать ввиду интенсификации процесса пластической деформации, особенно в поверхностном слое металла.
Влияние органических поверхностно-активных сред, выражающееся в уменьшении толщины пачек скольжения и увеличении их количества, а также в увеличении плотности дислокаций, установлено экспериментально. Для определения влияния жидкого металла было проведено рентгеноструктурное исследование поверхностного слоя медных образцов после испытания на длительную прочность в расплавах Bi—Pb. Из образцов, результаты механических испытаний которых представлены на рис. 137—139, вырезали пластинки шириной 3 мм и длиной 12 мм (длинная сторона совпадала с образующей рабочей части образца). Для удаления с поверхности пластинок остатков легкоплавкого металла их подвергали травлению в 10%-ном водном растворе HNO3. Рентгеновское облучение (Cuα) образцов производили на ионизационном аппарате УРС-50И. Образец во время облучения вращался со скоростью 2 об/мин. Рентгеновские отражения записывались от плоскости (311), по изменению интенсивности соответствующей линии судили о возникновении в структуре металла искажений III рода. В качестве эталона использовали отражения от плоскости (311) отожженной меди.
Зависимость адсорбционных эффектов от величины свободной энергии границы твердый - жидкий металлы

Для того чтобы отделить влияние жидкого металла на интенсивность линии (311) от влияния пластической деформации, протекающей в образце при испытании и в инертной среде при использованной в данных опытах нагрузке, производили запись этой линии и для наружной, и для внутренней поверхностей медной пластинки.
Результаты измерения интенсивности линии (311) представлены на рис. 140. Из него видно, что интенсивность рентгеновской интерференции от одной и той же плоскости по-разному изменяется в зависимости от состава среды для наружной (со стороны воздуха) и для внутренней (со стороны жидкого висмута) поверхностей. Изменение интенсивности в первом случае свидетельствует, очевидно, о влиянии продолжительности времени испытания на возникновение искажений III рода. Сопоставление рис. 140, а и 137, а показывает, что эти искажения возрастают при увеличении времени пребывания образца под нагрузкой. Уменьшение интенсивности рентгеновской интерференции от внутренней поверхности образцов, испытанных в расплавах с высоким содержанием висмута, указывает на увеличение искаженности структуры в объемах порядка размеров элементарной ячейки под действием поверхностно-активного жидкого металла.
Зависимость адсорбционных эффектов от величины свободной энергии границы твердый - жидкий металлы

Искажения эти порядка постоянной кристаллической решетки образца. Совпадение правых частей обеих линий на рис. 140, а свидетельствует об одинаковом влиянии (или об отсутствии влияния) воздушной среды и сплавов с высоким содержанием свинца и чистого свинца.
В связи с тем, что для выявления адсорбционного воздействия жидкого металла величину интенсивности рентгеновской интерференции от наружной поверхности можно рассматривать как эталонную, о таком влиянии можно судить по отношению интенсивности линий для внутренней I311 (ж. м.) и наружной I311 (т) поверхностей (см. рис. 140, б).
Сравнивая рис. 140, б с рис. 137—139, заключаем, что адсорбционное воздействие жидкого металла приводит к возникновению искажений III рода в структуре металла, испытывающегося на ползучесть.