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Critical-point wetting at the metastable chemical binodal in undercooled Fe–Cu alloys

1999; Elsevier BV; Volume: 47; Issue: 10 Linguagem: Inglês

10.1016/s1359-6454(99)00165-2

1873-2453

Gerhard Wilde, John H. Perepezko,

Metallic Glasses and Amorphous Alloys

Complementary results of differential thermal analysis and microstructural examination on Fe–Cu alloys provide the first evidence for critical-point wetting occurring at a completely metastable miscibility gap. The perfect wetting conditions hold for a composition range of 50–65 at.% Fe in the vicinity of the critical concentration. For samples encased with a glass slag, the Cu-rich liquid completely wets the glass upon undercooling to the metastable miscibility gap. In the perfect-wetting range, the metastable homogeneous liquid phase exhibited phase separation without undercooling below the chemical binodal. At deep undercooling, solidification of alloys with phase separated liquids results in a coarse scaled two-phase microstructure. In contrast, the homogeneous liquid phase of samples with compositions outside the perfect wetting range did undercool below the equilibrium onset of the metastable phase separation reaction. The phase separation in these samples occurred on a much finer scale. For samples without a glass encasement and thus in the presence of the Al2O3 crucible and an iron oxide layer, perfect wetting occurred near the consolute point on both sides of the metastable miscibility gap. This demonstrates that critical-point wetting is independent of the surface environment, but the wetting phase selected is surface sensitive. Les résultats complémentaires de l'analyse différentielle thermique et d'un examen microstructural d'un alliage Fe–Cu apportent les premières indications de mouillage au point critique survenant à une lacune d'immiscibilité complètement métastable. Les conditions de mouillage parfait s'obtiennent pour des compositions en Fe variant de 50 à 65%, aux environs de la concentration critique. Pour les échantillons contenus dans du verre, le liquide riche en Cu mouille complètement le verre lorsqu'il atteint le point de lacune d'immiscibilité dans son état surfondu. Dans la gamme de mouillage parfait, la phase de liquide métastable homogène présente une séparation de phase sans développer l'état surfondu en dessous de la courbe d'immiscibilité. Dans l'état surfondu poussé, la solidification de l'alliage avec des phases liquides séparées résulte en une microstructure grossière à deux phases. Par contre, la phase homogène liquide des échantillons avec des compositions en dehors de la gamme de mouillage parfait a atteint l'état surfondu en dessous de la courbe d'immiscibilité. Ces échantillons présentent une séparation de phase beaucoup plus fine. Pour les échantillons sans enrobage de verre et donc au contact du container en Al2O3 et d'une couche d'oxyde de fer, le mouillage parfait s'observe des deux côtés du point critique. Ceci montre que le point critique de mouillage est indépendant de la surface, mais que la phase de mouillage sélectionnée est sensible à la surface de contact. Durch Messungen mittels differentieller Thermal-Analyse und dazu komplementäre Untersuchungen der Mikrostrukturen an Fe-Cu Legierungen ergibt sich erstmals der Nachweis für das Auftreten von kritischer-Punkt Benetzung an einer vollständig metastabilen Mischungslücke. Die damit verbundene vollständige Benetzung tritt in dem Zusammensetzungsbereich von 50–65 at.% Fe nahe der kritischen Konzentration auf. Glaseingelagerte Proben zeigen die vollständige Benetzung des Glases durch die Cu-reiche Schmelze während des Unterkühlens bis zur metastabilen Mischungslücke. Im Zusammensetzungsbereich der vollständigen Benetzung erfolgt die Entmischung bei der zugehörigen Binodaltemperatur ohne zusätzliche Unterkühlung. Bei der Erstarrung der phasenseparierten Schmelze aus tiefer Unterkühlung führt dies zu einem grobskaligen Entmischungsgefüge. Im Gegensatz dazu zeigt die Entmischungsreaktion bei Zusammensetzungen außerhalb des Intervalls vollständiger Benetzung eine merkliche Unterkühlung unterhalb der jeweiligen Binodaltemperatur. Das zugehörige Erstarrungsgefüge zeigt die Phasentrennung auf einer deutlich kleineren Skala. Ohne Glaseinlagerung befinden sich die Proben in Kontakt zu dem Al2O3-Tiegel und zu einer Oberflächenschicht aus Eisenoxid. Unter diesen Bedingungen findet kritischer-Punkt Benetzung auf beiden Seiten der kritischen Zusammensetzung statt. Diese Ergebnisse demonstrieren daß kritischer-Punkt Benetzung unabhängig von der Probenumgebung erfolgt, daß jedoch die benetzende Phase oberflächenempfindlich ist und durch die Probenumgebung selektiert wird.