Вплив нікелю на структуру рідкої евтектики Al₀,₈₇₈Si₀,₁₂₂

Досліджено атомну структуру сплавів на основі алюмінію методами рентгенівської дифракції і оберненого Монте-Карло. Розраховано повні та парціальні структурні фактори, парні кореляційні функції та парціальні координаційні числа. Показано, що евтектика Al₀,₈₈Si₀,₁₂ складається з мікрообластей на ос...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2015
Автори: Мудрий, С.І., Штаблавий, І.І., Кулик, Ю.О., Талако, Т.Л., Лєцко, А.І.
Формат: Стаття
Мова:Ukrainian
Опубліковано: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України 2015
Назва видання:Фізико-хімічна механіка матеріалів
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/136246
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Вплив нікелю на структуру рідкої евтектики Al₀,₈₇₈Si₀,₁₂₂ / С.І. Мудрий, І.І. Штаблавий, Ю.О. Кулик, Т.Л. Талако, А.І. Лєцко // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2015. — Т. 51, № 4. — С. 131-135. — Бібліогр.: 20 назв. — укp.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-136246
record_format dspace
spelling irk-123456789-1362462018-06-17T03:06:17Z Вплив нікелю на структуру рідкої евтектики Al₀,₈₇₈Si₀,₁₂₂ Мудрий, С.І. Штаблавий, І.І. Кулик, Ю.О. Талако, Т.Л. Лєцко, А.І. Досліджено атомну структуру сплавів на основі алюмінію методами рентгенівської дифракції і оберненого Монте-Карло. Розраховано повні та парціальні структурні фактори, парні кореляційні функції та парціальні координаційні числа. Показано, що евтектика Al₀,₈₈Si₀,₁₂ складається з мікрообластей на основі алюмінію та розчину Al–Si. За умови додавання нікелю до евтектики формуються хімічно впорядковані області, в яких нікель оточений в основному атомами алюмінію. Исследована атомная структура сплавов на основе алюминия методами рентгеновской дифракции и обратного Монте-Карло. Рассчитано полные и парциальные структурные факторы, парные корреляционные функции и парциальные координационные числа. Показано что эвтектика Al₀,₈₈Si₀,₁₂ состоит из микрообластей на основе алюминия и раствора Al–Si. При добавление никеля к эвтектике формируются химически упорядоченные области, в которых никель окружен в основном атомами алюминия. The atomic structure of Al-based alloys are investigated both by means of X-ray diffraction method and by the reverse Monte-Carlo technique. Total and partial structural factors as well as pair correlation function and partial coordination numbers are calculated. It is shown that Al₀,₈₈Si₀,₁₂ eutectic melt consists of the Al-based micro-regions and Al–Si solution. Adding Ni to the eutectic leads to the formation of Al–Ni chemically ordered structural regions in which Ni is surrounded mainly by Al atoms. 2015 Article Вплив нікелю на структуру рідкої евтектики Al₀,₈₇₈Si₀,₁₂₂ / С.І. Мудрий, І.І. Штаблавий, Ю.О. Кулик, Т.Л. Талако, А.І. Лєцко // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2015. — Т. 51, № 4. — С. 131-135. — Бібліогр.: 20 назв. — укp. 0430-6252 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/136246 539.266+669.018 uk Фізико-хімічна механіка матеріалів Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Ukrainian
description Досліджено атомну структуру сплавів на основі алюмінію методами рентгенівської дифракції і оберненого Монте-Карло. Розраховано повні та парціальні структурні фактори, парні кореляційні функції та парціальні координаційні числа. Показано, що евтектика Al₀,₈₈Si₀,₁₂ складається з мікрообластей на основі алюмінію та розчину Al–Si. За умови додавання нікелю до евтектики формуються хімічно впорядковані області, в яких нікель оточений в основному атомами алюмінію.
format Article
author Мудрий, С.І.
Штаблавий, І.І.
Кулик, Ю.О.
Талако, Т.Л.
Лєцко, А.І.
spellingShingle Мудрий, С.І.
Штаблавий, І.І.
Кулик, Ю.О.
Талако, Т.Л.
Лєцко, А.І.
Вплив нікелю на структуру рідкої евтектики Al₀,₈₇₈Si₀,₁₂₂
Фізико-хімічна механіка матеріалів
author_facet Мудрий, С.І.
Штаблавий, І.І.
Кулик, Ю.О.
Талако, Т.Л.
Лєцко, А.І.
author_sort Мудрий, С.І.
title Вплив нікелю на структуру рідкої евтектики Al₀,₈₇₈Si₀,₁₂₂
title_short Вплив нікелю на структуру рідкої евтектики Al₀,₈₇₈Si₀,₁₂₂
title_full Вплив нікелю на структуру рідкої евтектики Al₀,₈₇₈Si₀,₁₂₂
title_fullStr Вплив нікелю на структуру рідкої евтектики Al₀,₈₇₈Si₀,₁₂₂
title_full_unstemmed Вплив нікелю на структуру рідкої евтектики Al₀,₈₇₈Si₀,₁₂₂
title_sort вплив нікелю на структуру рідкої евтектики al₀,₈₇₈si₀,₁₂₂
publisher Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
publishDate 2015
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/136246
citation_txt Вплив нікелю на структуру рідкої евтектики Al₀,₈₇₈Si₀,₁₂₂ / С.І. Мудрий, І.І. Штаблавий, Ю.О. Кулик, Т.Л. Талако, А.І. Лєцко // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2015. — Т. 51, № 4. — С. 131-135. — Бібліогр.: 20 назв. — укp.
series Фізико-хімічна механіка матеріалів
work_keys_str_mv AT mudrijsí vplivníkelûnastruktururídkoíevtektikial0878si0122
AT štablavijíí vplivníkelûnastruktururídkoíevtektikial0878si0122
AT kulikûo vplivníkelûnastruktururídkoíevtektikial0878si0122
AT talakotl vplivníkelûnastruktururídkoíevtektikial0878si0122
AT lêckoaí vplivníkelûnastruktururídkoíevtektikial0878si0122
first_indexed 2025-07-10T00:58:56Z
last_indexed 2025-07-10T00:58:56Z
_version_ 1837219590960054272
fulltext 131 Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2015. – ¹ 4. – Physicochemical Mechanics of Materials УДК 539.266+669.018 ВПЛИВ НІКЕЛЮ НА СТРУКТУРУ РІДКОЇ ЕВТЕКТИКИ Al0,878Si0,122 С. І. МУДРИЙ 1, І. І. ШТАБЛАВИЙ 1, Ю. О. КУЛИК 1, Т. Л. ТАЛАКО 2, А. І. ЛЄЦКО 2 1 Львівський національний університет імені Івана Франка; 2 Державна наукова установа “Інститут порошкової металургії”, Мінськ, Білорусія Досліджено атомну структуру сплавів на основі алюмінію методами рентгенівської дифракції і оберненого Монте-Карло. Розраховано повні та парціальні структурні фактори, парні кореляційні функції та парціальні координаційні числа. Показано, що евтектика Al0,88Si0,12 складається з мікрообластей на основі алюмінію та розчину Al–Si. За умови додавання нікелю до евтектики формуються хімічно впорядковані області, в яких нікель оточений в основному атомами алюмінію. Ключові слова: евтектичні розплави, атомна структура, кластери, мікронеодно- рідна будова. Фізико-механічні властивості матеріалів загалом і металевих сплавів зокре- ма змінюють різними методами, більшість з яких ґрунтується на легуванні спла- ву домішками. Змінюючи розподіл домішок у структурі сплаву, можемо контро- льовано покращувати основні його властивості, а отже, і експлуатаційні характе- ристики. Успішне вирішення цієї проблеми вимагає різностороннього досліджен- ня речовини в рідкому стані, оскільки у рідині закладена інформація, яка дає змогу керувати кристалізацією для формування нових сплавів з різними функціо- нальними характеристиками. Зважаючи на низьку температуру плавлення, в ролі таких сплавів часто використовують евтектики. Поблизу лінії ліквідус ці сплави мають мікронеоднорідний ближній порядок, який проявляється в існуванні структурних одиниць на основі компонент розплаву [1]. Особливе місце серед конструкційних та функціональних матеріалів займа- ють сплави евтектичного складу Al0,878Si0,122 [2]. Результати дослідження цієї ев- тектики методом дифракції рентгенівських променів [1, 3–5], нейтронів [6, 7] та методом молекулярної динаміки [8] вказують на те, що в рідкому стані вона скла- дається мікрообластей, збагачених алюмінієм та кремнієм. Для поліпшення властивостей сплавів Al–Si їх модифікують натрієм [9], строн- цієм [10], міддю, магнієм або нікелем [11]. В результаті модифікації структурні одиниці евтектики подрібнюються, що призводить до покращення механічних властивостей та текучості [12–14], що важливо для ливарного виробництва. Встановлено, що додавання нікелю та стронцію до сплавів Al–Si значно по- ліпшує їхні механічні характеристики [15]. У цьому випадку нікель в основному змінює властивості евтектичного алюмінію, формуючи сполуки, а стронцій под- рібнює евтектичний кремній. Проте вплив нікелю на структуру евтектики Al0,878Si0,122 вивчали здебільшо- го в кристалічному стані, що не дає змоги встановити механізм модифікації. То- му мета роботи – дослідити вплив нікелю на структуру евтектики Al0,878Si0,122 в рідкому стані та за температур близьких до температури кристалізації. Контактна особа: І. І. ШТАБЛАВИЙ, e-mail: sihor@ukr.net 132 Методика досліджень. Структуру в рідкому стані досліджували методом високотемпературної рентгенівської дифрактометрії, який давав змогу отримува- ти криві інтенсивності дифрагованого випромінювання за різних температур до 1600 K. Геометрія розміщення вхідної щілини рентгенівського променя, центра камери і вхідної щілини лічильника відповідала схемі фокусування типу Брега– Брентано [16]. Похибка вимірювання інтенсивності випромінювання – в межах 2…3%. Температуру вимірювали та підтримували з точністю ±2 K. Отримані експериментальні кутові залежності інтенсивності дифрагованого випромінювання виправляли на поляризацію, поглинання і аномальну дисперсію [17]. Приведення до електронних одиниць здійснювали за допомогою методу, описаного раніше [18]. Виправлені і пронормовані криві інтенсивності викорис- товували для розрахунку структурних факторів (СФ), парних кореляційних функ- цій та функцій радіального розподілу атомів. Результати експериментальних досліджень використали для отримання три- вимірних структурних моделей розплавів оберненим методом Монте-Карло (RMC) [19]. Використовуючи їх, розрахували парціальні структурні фактори та парціальні парні кореляційні функції, а також отримали розподіл парціальних ко- ординаційних чисел. Результати та їх обговорення. На рис. 1 показані структурні фактори ев- тектики Al0,88Si0,12 та сплавів (Al0,88Si0,12)1–xNix за температур на 5 K вищих темпе- ратури плавлення. З рисунка видно, що другий максимум СФ евтектики розщеп- лений на два підмаксимуми. Як свідчить зміна профілю СФ евтектики, за підви- щення температури збільшується розчинність Si в Al і при 1000 K в розплаві формується статистичний розподіл атомів. Рис. 1. Структурні фактори для розплавів (Al 0,88Si0,12)1–xNix: 1 – Al0,88Si0,12; 2 – (Al0,88Si0,12)0,95Ni0,05; 3 – (Al0,88Si0,12)0,9Ni0,1; 4 – (Al0,88Si0,12)0,85Ni0,15; 5 – (Al0,88Si0,12)0,8Ni0,2. Fig. 1. Structural factors for (Al0.88Si0.12)1–xNix melts: 1 – Al0.88Si0.12; 2 – (Al0.88Si0.12)0.95Ni0.05; 3 – (Al0.88Si0.12)0.9Ni0.1; 4 – (Al0.88Si0.12)0.85Ni0.15; 5 – (Al0.88Si0.12)0.8Ni0.2. Під час додавання нікелю до цієї евтектики спостерігали значні зміни профі- лю СФ, що свідчить про істотну трансформацію структури. Зокрема, змінюється висота і положення основних максимумів СФ, а також стає асиметричним його перший максимум, який можна розкласти на два симетричні максимуми. Така поведінка структурних факторів свідчить про існування мікрообластей з різним типом атомного впорядкування, що зумовлено тенденцією до переважаючої взає- модії між нікелем та компонентами евтектики. Підтвердженням існування тенденції до формування хімічного ближнього порядку є, зокрема, від’ємна надлишкова ентропія змішування сплаву Al0,80Ni0,20, яка становить –1,6 kB/atom. Крім цього, під час дослідження К-спектрів погли- нання встановлено, що поряд з переважаючим металічним зв’язком, в цих спла- вах є локальна взаємодія між атомами перехідних елементів і атомами алюмінію типу ковалентного чи резонансно-ковалентного зв’язку. Цей стан частково зберіга- ється в рідких сплавах і його вплив на властивості сплавів алюміній–перехідний метал виявляється в утворенні комплексів з жорсткими міжатомними зв’язками, що діє на поведінку основних структурних параметрів сплаву в рідкому стані. 133 Рис. 2. Концентраційна залежність основних структурних параметрів розплаву (Al0,88Si0,12)1–xNix за різних температур: � – T = TL;  – T = TL + 50 K; � – T = TL + 100 K. Fig. 2. Concentration dependence of the main structural parameters of the (Al0.88Si0.12)1–xNix melt at different temperatures: � – T = TL;  – T = TL + 50 K; � – T = TL + 100 K. Залежність основних структурних пара- метрів від концентрації нікелю за різних тем- ператур показано на рис. 2. Під час додавання Ni в кількості 5 та 10 аt.% зменшується висота першого максимуму СФ. Згідно з моделлю твердих сфер, таку поведінку структурного фактора пояснюють зменшенням середньої атомної густини. Причиною вказаних змін може бути те, що в результаті взаємо- дії Ni з Al виникають хімічно впорядковані області зі своїм характерним типом структури. Відбувається перебудова структури рідкої евтектики, внаслідок чого і знижується середня атомна густина сплаву. Виникнення хімічно впорядкованих областей спричинить також і зменшення радіуса першої координаційної сфери. За подальшого додавання нікелю (15 та 20 at.%) висота першого максимуму СФ збільшується, а положення зміщується в бік більших значень хвильових век- торів. Така поведінка структурного фактора вказує на те, що за збільшення вміс- ту атомів Ni основну роль під час формування структури розплаву починають ві- дігравати області з хімічним впорядкуванням. Для детальнішого аналізу структури доліджуваних сплавів її моделювали оберненим методом Монте-Карло. В результаті цього отримали парціальні між- атомні віддалі (див. таблицю) та парціальні координаційні числа (рис. 3). Парціальні міжатомні віддалі досліджуваних сплавів rAl–Al rAl–Si rSi–Si rAl–Ni rSi–Ni rNi–Ni Сплави Å Al 0,88Si0,12 2,82 2,89 2,85 – (Al 0,88Si0,12)0,8Ni0,2 2,56 2,62 2,56 2,70 2,74 2,80 Як бачимо з таблиці, парціальні міжатомні віддалі евтектичного сплаву Al0,88Si0,12 rAl–Al рівні міжатомним віддалям для чистого алюмінію, тоді як відста- ні rSi–Si більші від міжатомних віддалей чистого кремнію (2,50 Å). Додавання ні- келю до евтектичного розплаву зумовлює зменшення rAl–Al , rSi–Si та rAl–Si. Між- атомні віддалі rAl–Al та rAl–Ni набувають значень близьких до парціальних віддалей у подвійних сплавах Al0,9Ni0,1 [20]. З аналізу парціальних координаційних чисел можемо зробити висновок про те, що в розплаві Al0,88Si0,12 поблизу температури плавлення кожен атом алюмі- нію в середньому оточений 9,4 атомами алюмінію та 1,4 атомами кремнію, фор- муючи таким чином області, збагачені алюмінієм, а кожен атом кремнію оточе- ний 10,2 атомами алюмінію та 1,2 атомами кремнію, що свідчить про розчинення кремнію в структурних одиницях на основі алюмінію. Додавання нікелю до розплаву Al0,88Si0,12 змінює оточення алюмінію та кремнію. Зокрема, зменшується кількість найближчих сусідів Al–Al (з 9,4 до 7,9) та майже не змінюється координаційне число Si–Si (з 1,2 до 1,3). Нікель у роз- 134 плаві (Al0,88Si0,12)0,8Ni0,2 оточений в основному алюмінієм, що вказує на форму- вання хімічно впорядкованих областей та переважну взаємодію різносортних ато- мів. Проте, зважаючи на велике координаційне число Al–Al, в розплаві існують мікрообласті на основі алюмінію. Рис. 3. Розподіл імовірності парціальних координаційних чисел у розплавах Al 0,88Si0,12 (a: 1 – Al–Al, < ZAl–Al = 9,4 >; 2 – Al–Si, < ZAl–Si = 1,4 > ; 3 – Si–Al, < ZSi–Al = 10,2 > ; 4 – Si–Si, < ZSi–Si = 1,2 >) та (Al0,88Si0,12)0,8Ni0,2 (b: 1 – Al–Al, < ZAl–Al = 7,9 > ; 2 – Al–Si, < ZAl–Si = 1,1 > ; 3 – Al–Ni, < ZAl–Ni = 2,3 >), (c: 1 – Ni–Ni, < ZNi–Ni = 2,2 > ; 2 – Ni–Si, < ZNi–Si = 1,3 >; 3 – Ni–Al, < ZNi–Al = 8,0 >). Fig. 3. Probability distribution of the partial coordination numbers in the Al0.88Si0.12 melts (a: 1 – Al–Al, < ZAl–Al = 9.4 > ; 2 – Al–Si, < ZAl–Si = 1.4 > ; 3 – Si–Al, < ZSi–Al = 10.2 > ; 4 – Si–Si, < ZSi–Si = 1.2>) and (Al0.88Si0.12)0.8Ni0.2 (b: 1 – Al–Al, < ZAl–Al = 7.9 > ; 2 – Al–Si, < ZAl–Si = 1.1 >; 3 – Al–Ni, < ZAl–Ni = 2.3 >), (c: 1 – Ni–Ni, < ZNi–Ni = 2.2 > ; 2 – Ni–Si, < ZNi–Si = 1,3 >; 3 – Ni–Al, < ZNi–Al = 8,0 >) melts. ВИСНОВКИ Дослідження структури евтектики Al0,88Si0,12, модифікованої нікелем, вказу- ють на те, що вона складається з мікрообластей на основі алюмінію та розчину Al–Si. Додавання нікелю в кількості до 20 at.% призводить до формування хіміч- но впорядкованих областей, в яких нікель оточений в основному атомами алюмі- нію зі структурою аналогічною структурі подвійних розплавів Al0,9Ni0,1. Ці особ- ливості атомного розподілу будуть впливати на формування структури сплаву під час кристалізації. РЕЗЮМЕ. Исследована атомная структура сплавов на основе алюминия методами рентгеновской дифракции и обратного Монте-Карло. Рассчитано полные и парциальные структурные факторы, парные корреляционные функции и парциальные координацион- ные числа. Показано что эвтектика Al0,88Si0,12 состоит из микрообластей на основе алюминия и раствора Al–Si. При добавление никеля к эвтектике формируются химически упорядочен- ные области, в которых никель окружен в основном атомами алюминия. SUMMARY. The atomic structure of Al-based alloys are investigated both by means of X-ray diffraction method and by the reverse Monte-Carlo technique. Total and partial structural factors as well as pair correlation function and partial coordination numbers are calculated. It is shown that Al0.88Si0.12 eutectic melt consists of the Al-based micro-regions and Al–Si solution. Adding Ni to the eutectic leads to the formation of Al–Ni chemically ordered structural regions in which Ni is surrounded mainly by Al atoms. 135 1. Mudry S., Shtablavyi I., and Shcherba I. Liquid eutectic alloys as a cluster solutions // Archives of Mat. Sci. and Eng. – 2008. – 34. – P. 14–18. 2. Massalski T. B. Binary alloy phase diagram. – Metals Park, OH: ASM, 1990. – 3589 p. 3. Bian X. and Wang W. Thermal-rate treatment and structure transformation of Al–13 wt.% Si alloy melt // Materials Letters. – 2000. – 44. – P. 54–58. 4. Srirangam P., Kramer M. J., and Shankar S. Effect of strontium on liquid structure of Al–Si hypoeutectic alloys using high-energy X-ray diffraction // Acta Materialia. – 2011. – 59. – P. 503–513. 5. The structure of Al–Cu and Al–Si eutectic melts / I. Shtablavyi, S. Mudry, V. Mykhaylyuk, and J. Rybicki // J. Non-Crystalline Solids. – 2008. – 354. – P. 4469–4474. 6. Structure of molten Al–Si alloys / U. Dahlborg, M. Besser, M. Calvo- Dahlborg, G. Guello, C. D. Dewhurst, M. J. Kramer, J. R. Morris, and D. J. Sordelet // J. Non-Crystalline Solids. – 2007. – 353. – P. 3005–3010. 7. Structure of molten Al and eutectic Al–Si alloy studied by neutron diffraction / U. Dahlborg, M. J. Kramer, M. Besser, J. R. Morris, and M. Calvo- Dahlborg // J. Non-Crystalline Solids. – 2013. – 361. – P. 63–69. 8. Ab initio molecular dynamics simulation of liquid Al88Si12 alloys / S. Wang, C. Z. Wang, F. C. Chuang, J. R. Morris, and K. M. Ho // J. Chem. Phys. – 2005. – 122. – P. 034508. 9. US patent 1387900 / A. Pacz. – 1921. 10. Makhlouf M. M. and Guthy H. V. The aluminum–silicon eutectic reaction: mechanisms and crystallography // J. Light Mettals. – 2001. – 1. – P. 199–218. 11. Hatch J. E. Aluminum: Properties and Physical Metallurgy. – ASM INTERNATIONAL, Metals Park, OH, 1984. – 424 p. 12. Bell J. A. E. and Winegard W. C. Interconnexion of Silicon in Modified Aluminium–Silicon Eutectic // Nature. – 1965. – 208. – P. 177–182. 13. Hellawell A. The growth and structure of eutectics with silicon and germanium // Prog. Mater. Sci. – 1970. – 15. – P. 3–78. 14. Yilmaz F. and Elliot R. J. The microstructure and mechanical properties of unidirectionally solidified Al−Si alloys // J. Mater. Sci. – 1989. – 24. – P. 2065–2070. 15. Structure and properties of Al–7Si–Ni and Al–7Si–Cu cast alloys nonmodified and modified with Sr / J. A. Garcia-Hinojosa, C. R. Gonzalez, G. M. Gonzalez, and Y. Houbaert // J. Mater. Proc. Technol. – 2003. – 143–144. – P. 306–310. 16. Хейкер Д. М., Зевин Л. С. Рентгеновская дифрактометрия. – M.: Изд-во физ.-мат. лит, 1963. – 256 c. 17. Cromer D. T. and Waber J. T. Scattering factors computed from relativistic Dirac – Slatter wave function // Acta Cryst. – 1965. – 18. – P. 104–109. 18. Krogh-Moe J. A method for converting experimental X-ray intensities to an absolute scale // Acta Cryst. – 1956. – 9. – P. 951–953. 19. Reverse Monte Carlo (RMC) simulation: modeling structural disorder in crystals, glasses and liquids from diffraction data / R. L. McGreevy, M. A. Howe, D. A. Keen, and K. N. Clausen // IOP Conf. series. – 1990. – 107. – P. 165–184. 20. Short and medium-range order in liquid binary Al-Ni and Al-Co alloys / O. S. Roik, O. V. Sam- sonnikov, V. P. Kazimirov, and V. E. Sokolskii // J. Molecolar Liquids. – 2009. – 145. – P. 129–134. Одержано 20.01.2014