Твердофазные превращения в системе Pb-Cu-Sn

В наковальне Бриджмена (рисунок 1), изготовленной из твердого сплава, создают предварительные радиальные напряжения сжатия. Шайбы из трубочного камня, деформируясь в радиальном направлении внутрь, создают объемное напряжение в образце, а деформируясь одновременно наружу, - плавно снижающееся давление на периферийную часть наковален [10].

В результате в наковальнях возникают условия объемного сжатия, модуль которого уменьшается в радиальных направлениях. Эти способы создания объемного напряженного сжатия и уплотнения полости давления применяются во всех «твердотельных» аппаратах других типов, используемых для синтеза алмаза. В наковальнях (см. рис. 1) на диаметре 6 мм давление может достигнуть до 40 ГПа.

Рисунок 1. Наковальня Бриджмена (плоская).

Вырезанные в виде пластинок образцы меди, свинца и олова размерами 0,1мм×10мм×20мм совмещали друг с другом и в наковальне Бриджмена [10] сдавливали их в течение 20 мин при комнатной температуре. Образцы прочно соединялись в результате твердофазной реакции, инициированной механической нагрузкой (см. рис.2).

Рисунок 2. Фотография образца Сu-Pb после реакции

Диаграмма, приведенная на рисунке 3, показывает фазовый состав и структуру Pb-Sn-сплавов (припоев). В сплаве образуются: α-твердый раствор, Sn в Pb; β-твердый раствор Pb в Sn и эвтектика, состоящая из 62% Sn и 38% Рb (третник).

Рисунок 3. Фазовая диаграмма Pb-Sn

На рисунке 4 представлена фазовая диаграмма Сu-Pb. Система Cu-Pb характеризуется наличием монотектического и эвтектического равновесий и двух твердых растворов (Cu) и (РЬ). Область несмешиваемости при монотектической температуре 954-955°С, простирается от 15,3 до 65,3 % (ат.) Pb. Критическая точка на кривой расслаивания лежит при температуре 990 °С и содержании 34,3 % (ат.) Pb.

Эвтектическая точка расположена при содержании -99,82 % (ат.) Рb и температуре 326°С.

Рисунок 4. Фазовая диаграмма Cu-Pb.

Диаграмма (рис. 5) показывает фазовый состав и структуру Cu-Sn-сплавов (оловянистых бронз). Она представляет собой комбинацию нескольких перитектических диаграмм. Возможно образование следующих фаз: α-твердый раствор Sn в Cu; Sn - почти чистое олово (растворимость Cu в Sn меньше 0,01 %); β-твердый раствор электронного типа на базе соединения Cu₅Sn, а пунктирная линия показывает процесс его упорядочения; δ-электронное соединение Cu₃₁Sn₈; γ-твердый раствор на базе химического соединения Cu и Sn; ε - электронное соединение Cu₃Sn; η - химическое соединение Cu₆Sn₅.

Растворимость Pb в (Cu) при температуре 600 °С, определенная на основании микроскопического и рентгеновского анализов, не превышает 0,09 % (ат.). Растворимость Cu в (Рb) не превышает 0,023 % (ат.).

Рисунок 5. Фазовая диаграмма Cu-Sn

На рисунке 6 представлена фазовая диаграмма Cu-Pb-Sn. Система Cu-Sn-Pb характеризуется широкой областью несмешиваемости в жидком состоянии. Приведенная на рисунке 6 система показывает уменьшение области несмешиваемости при повышении температуры. Критическая точка, отвечающая высокой температуре "купола" несмешиваемости (1130... 1140° С), имеет состав, % (по массе): Cu 35; Рb 50; Sn 15 [11].

Рисунок 6. Фазовая диаграмма Cu-Pb-Sn.

В нашем эксперименте рентгеновский микроанализ зоны прохождения реакции показывает, что произошла твердофазная реакция благодаря ускоренной диффузии. Согласно фазовой диаграмме олово-свинец (см. рис.3) растворимость 20% олова может раствориться в свинце при температуре 180⁰С. В нашем случае при комнатной температуре растворимость олова в свинце достигла 40 %. Это произошло благодаря диффузии под действием внешней нагрузки. Согласно работе [2] может происходить эвтектическая реакция, которая происходит при температуре 190⁰С. В нашем случае образцы находились при комнатной температуре. Под действием механического нагружения в системе Pb-Cu-Sn произошла механохимическая реакция [12].

На рисунке 7 а, б приведены картины, полученные в сканирующим электронном микроскопе от пластинки меди, отделенной от свинца после прохождения механохимической реакции. Перед началом осадки пластинки были отполированы. После прохождения твердофазного взаимодействия поверхности обоих дисков стали шероховатыми и неоднородными, что видно на изображениях, приведенных на рис. 7.

а) б)

Рисунок 7. Электронно-микроскопическое изображение зоны разрыва

Cu-Pb после прохождения механохимической реакции

Известно, что электронная микроскопия даёт сведения о локальной структуре. Поэтому для выявления общей картины фазового состава продуктов превращения был проведен рентгеноспектральный анализ. На рисунке 8 приведена картина рентгеновского спектра от поверхности образца Pb после твердофазной реакции.

Рисунок 8. Рентгеновский микроанализ поверхности образца Cu-Pb-Sn после твердофазного превращения в зоне прохождения реакции

Таблица 1.

Название	Cu	Sn	Pb
Атомы	18,8	40,6	40,6

Таким образом, в результате совместного динамического нагружения образцов Pb-Cu-Sn в зоне контакта происходят перераспределение компонентов сплавов и механохимические реакции, продукты которых связывают образцы [6].

Дата добавления: 2015-07-11