Sedimentation of substitutional solute atoms in In-Pb system alloy under strong gravitational field; Experiments and simulations

強い重力場下におけるIn-Pb系合金中の構成原子の沈降

小野 正雄  ; 木下 貴博*; 上野 秀人*; Huang, X.*; 長壁 豊隆  ; 真下 茂

Ono, Masao; Kinoshita, Takahiro*; Ueno, Hideto*; Huang, X.*; Osakabe, Toyotaka; Mashimo, Tsutomu

本研究では、In-Pb系合金について超重力場実験を行い原子の沈降と相平衡について調べた(最大加速度:100万Gレベル,温度:融点直下(固体),出発試料:中間相の相単相(面心正方晶),時間:30-150h)。回収試料は、重力方向にPbの濃度が増加して重力と反対方向にInの濃度が増加する傾斜構造を形成していた。100時間実験後の回収試料では、単相の出発状態から、重力側にPb相、反対側にIn相が出現し、それぞれの同一結晶構造内での格子定数が連続的に変化していることがわかった。以上から、この傾斜構造は原子スケールの傾斜構造であり、置換型溶質原子であるInとPb原子の沈降によって形成されたものであることが確認された。また、時間条件を変えた3つの実験結果(30h, 60h, 150h)から、60時間以下で定常状態に達したことがわかった。沈降プロセスのシミュレーションを行った結果、沈降の拡散係数が、化学ポテンシャルによる一般的な拡散係数の8倍と見積もられた。以上の結果は、この系の沈降の拡散メカニズムが一般的な拡散メカニズムと異なることを示唆している。

Ultracentrifuge experiments were performed on the In-Pb system to study the sedimentation of atoms and phase equilibrium. After the experiments, the graded structures were obtained. Pb-rich phase (f.c.c) and In-rich phase (tetragonal) appeared at the strong- and weak-gravitational field sides of the sample, respectively, from starting state of -phase. And, the continuous changes in lattice parameters were observed in each phase. These observation results showed that the graded structure was continuous in atomic scale, and was formed by the sedimentation of atoms. Composition profiles of the centrifuged samples for 31.3 h, 60 h and 150 h showed that the composition change reached the steady state within 60 hours. The diffusion coefficient for sedimentation was estimated to be about 8 times larger than that for usual diffusion by the simulation. The result indicated that the diffusion mechanism of the sedimentation was different from the conventional ones.