Введение к работе
Актуальность работы. Проблема изучения неупорядоченных твердых растворов, а нменно, их релаксационного поведения при переходе к полному термодинамическому равновесию, занимает важное место среди широкого круга вопросов исследуемых в современной физике твердого тела. Несмотря на значительные теоретические и экспериментальиые достижения в этой области физики, трудности, связанные с адекватным описанием реальных неравновесных твердых растворов, полученных путем быстрого и сверхбыстрого охлаждения из расплавов еще окончательно не преодолены Это обусловлено прежде всего чрезвычайной сложностью объекта исследований.
В той же время получение новых конструкционных материалов с наперед заданными свойствами и характеристиками, которые необходимы для работы в экстремальных условиях, часто базируется на использовании именно неравновесных твердых растворов и это придает изучению последних особую акт>альность.
Повышенные требования, которые предъявляются к свойствам новых материалов, и как следствие к неравновесным твердым растворам, связаны, в частности, со спецификой их эксплуатации. В связи с этим особую важность при изучении подобных конденсированных систем приобретают два аспекта: это устойчивость их к различного рода внешним воздействиям и вопросы, связанные с процессами их старения на протяжении определенного времени, т.е. релаксационным поведением в зависимости от условий приготовления.
В последние годы все больший интерес проявляется к проблемам, связанным с влиянием внешних воздействий на кинетику установления дальнего порядка в упорядочивающихся сплавах, поскольку это открывает перспективы для разработки методов целенаправленного управления структурой твердотельных конденсированных систем. Очевидно, что использование различных методов воздействия на неравповесную систему еще в процессе формирования ее доменной или поликристаллической структуры предполагает знание основных физических факторов, влияющих на рассматриваемые процессы. С этой точки зрения изучение механизмов происходящих явлений оказывается важным и актуальным.
Связь работы с научными программами, темами. Работа была начата в 1982 году в отделе теоретической оптики, а затем продолжена в отделе электронных свойств металлов Донецкого физико-технического
института им. А.А. Галкина Национальной академии наук Украины как составная часть госбюджетной темы "Исследование закономерностей образования аморфных металлических сплавов и выявление факторов, влияющих на их физические свойства" на 1985-1988 гг. (№01840083436). В дальнейшем работа продолжалась в рамках госбюджетной темы "Исследование электронных свойств, формирования и эволюции атомно-микроскопической и крупномасштабной структуры аморфных и микрокристаллических материалов на металлической основе" на 1989-1992гг (К» 019000118113) Часть работы выполнена в составе поисковой госбюджетной темы "Физические основы технологии получения сильно-неравновесных металлических материалов их релаксационные и поглощательные характеристики", которая выполнялась с 1.01.93 г. по 30 06 94 г (Н 0193V039768) В период с 1994 по 1997 год работа над диссертацией продолжалась в рамках двух госбюджетных тем первая -"Рела^сГионныеи распадные явления в металлооксидах металлических амоХьТи микрокристаллических материалах" (№ 0194V021975) а вторая -"Сшоорг^изшшя дХтюй сгоуїаурь, в " твердых телах при д^^^под^^«"^№0И>4V021918) Кроме того часть SSSSTIbiS nw^a при "выполнении конусных щюеетов ГосудГсїїеннош комТт^Украины по Гпросам на^ки и техТлоТий (msmy^Zi^^TwS^^^ распад метрических стеГах
техЗоги??№2 4 ^Г^шеГкГГмеЗшы^^Гаксацион^ пшпес^в в
мё^ГескоГс^
на^Г зїео
го^юдїет^те "Релаїс^Г^г^ и аХЇЇ^оє^ЇЗ^
сильнГег1внов2нїх твеоГт^хїїегїїї" (Ко wTvolSfZaZ в
Цель и задачи исследования. Целью предлагаемой диссертации является основанное на статистическом подходе последовательное, полное и адекватное описание динамики явлений распада и упорядочения в сильнонеравновесных твердотельных системах, а также нахождение таких физически значимых характеристик, релаксацию которых можно было бы сопоставить с существующими экспериментальными данными. Конкретизация этой цели привела к следующим задачам: Разработать статистический подход позволяющий описывать как кинетику концентрационного расслоения, так и кинетику упорядочена сильнонеравновесных, неупорядоченных, конденсированных твердотель-ных систем.
Используя указанный выше статистический подход, в рамках бинарной модели исследовать диффузионную стадию эволюции крупномасштабной структуры твердого раствора или стекла (спинодальный распад).
Проанализировать роль начальных "замороженных" флуктуации состава на характер спинодального распада стекол (или твердых растворов) как в случае когда средний состав, со, близок к одной из спинодальных концентраций, так и для произвольного среднего состава.
Разработать метод, позволяющий описывать аналитически все стадии концентрационного расслоения, начиная от конечной стадии спинодального распада и до заключительной стадии бинодального распада (коалесценции).
Изучить влияние закаленного беспорядка на кинетику формирования и роста антифазных доменов при фазовых переходах второго рода типа порядок-беспорядок.
Исследовать влияние начальных условий на кинетику упорядочения, доменизации и разупорядочеиия при фазовых переходах первого рода типа порядок-беспорядок.
Описать влияние внешнего поля на кинетику формирования и роста 180-градусных доменов в сегаетоэлектриках.
Проанализировать влияние гидростатического давления на кинетику фазо-
вых переходов второго рода типа порядок - беспорядок.
Научная новизна полученных результатов. Научная новизна проведенных исследований состоит в дальнейшем развитии теоретических методов физики твердого тела, которые позволяют описывать как кинетику концентрационного расслоения, так и кинетику упорядочения твердотельных конденсированных систем, далеких от термодинамического равновесия. Предложен новый феноменологический подход, основанный на идее о трансформации параметра порядка на разных этапах концентрационного расслоения, который позволяет оценить характерные времена на бинодальной стадии распада, а также описать эволюцию структуры на всех стадиях концентрационного расслоения Подробно проанализировано влияние начального закаленного беспорядка внешних полей и всестороннего давления па кинетику упорядочения доменизации и разупорядочеиия при фазовых переходах типа порядок-беспорядок.
Среди новых результатов, представленных в диссертации, можно выделить следующие: 1) В работе развит статистический подход, который позволяет при некоторой
его модификации описывать кинетику как концентрационного расслоения
(распада), так и упорядочения неравновесных, неупорядоченных твердотельных конденсированных систем.
-
В случае спинодального распада стекол (или твердых растворов) впервые теоретически доказана возможность формирования промежуточной структуры распада с масштабом, отличным от известного из линейной теории Дж. Кана.
-
Впервые установлено, что неравновесная система может испытывать спинодальный распад даже в том случае, когда ее средний состав выходит за пределы спинодальной области. Необходимым условием реализации процесса является наличие участков с локальной концентрацией внутри спинодали, которые "затягивают" систему под сцинодаль.
-
Показано, что характерной особенностью спинодального распада является возникновение асимметрии локальных отклонений от среднего состава. Наличие подобной асимметрии в начальный момент времени только усиливает тенденцию к распаду.
-
Доказано, что в упорядочивающихся сплавах переход в однодоменное состояние происходит преимущественно через формирование долгоживущего полидоменного состояния.
-
Путем численного анализа впервые продемонстрировано, что при некоторых специальных начальных условиях процесс упорядочения может сопровождаться появлением короткоживущих промежуточных (виртуальных) полидоменных структур.
Совокупность перечисленных выше результатов и выводов составляют основу нового решения важной научной проблемы - корреляционной теории явлений распада и упорядочения в твердотельных конденсированных системах, далеких от термодинамического равновесия.
Практическое значение полученных результатов. В ходе
исследований, выполненных в диссертационной работе, получен ряд
результатов, которые имеют непосредственное практическое значение и
могут быть использованы для управления гетерофазной структурой как
кристаллических материалов (упорядочивающиеся, дисперсионно-твердею-
щие сплавы, нанокристаллические структуры), так и некристаллических
твердых тел (металлические стекла, оксидные стекла, стеклообразные смеси).
Выделим следующие практически важные результаты:
расчет временной и пространственной эволюции концентрационных
неоднородностей мезоскопического масштаба в аморфных системах в
зависимости от условий закалки позволяет сделать заключение о
возможных способах управления структурой получаемых аморфных
металлических материалов;
результаты исследований кинетики упорядочения сплавов позволяют выработать рекомендации для оптимизации процессов получения нанокристаллических металлических материалов;
анализ сегрегации свободного объема в металлических стеклах в процессе их изотермического отжига позволяет выявить возможные механизмы релаксации неупорядоченной структуры при переходе к более равновесному состоянию, а тем самым дать заключение о возможных способах уменьшения нежелательных эффектов в процессе их старения.
Ряд результатов, полученных в диссертационной работе при выполнении конкурсных проектов и хоздоговорных научно-исследовательских тем используется в отделе физического материаловедения и отделе технологических исследований процессов гидропрессования ДонФТИ им. ААГалкина НАН Украины. Часть результатов диссертационной работы может быть использована и используется при разработке методов получения аморфных и микрокристаллических материалов в ряде научно-исследовательских организаций Украины, таких, например как Институт металлофизики НАН Украины, Институт проблем материаловедения НАН УкраиныТднепропетровский госуниверситет.
Личный вклад соискателя. В диссертационной работе обобщены результаты исследований, выполненных как непосредственно автором, так и совместно с сотрудниками отдела электронных свойств металлов Донецкого физико-технического института НАН Украины: Э.П.Фельдманом, В.И.Ткачом, А.И.Лимановским и С.Г.Рассоловым, а также с сотрудниками отдела физического материаловедения Т.Е.Константиновой и В.Б.Примислером, отдела теоретической оптики - Л.Н.Овандером и Ю.Д.Заворотневым.
В работах, представленных в диссертации и выполненных совместно с коллегами теоретиками, участие соискателя в формулировке цели и задач исследовании, планировании и постановке работы было определяющим. Анализ и обобщение результатов проведены лично соискателем.
Своими теоретическими исследованиями автор заинтересовал ряд экспериментаторов, результатом чего явились работы [9,10,13,22], выполненные совместно. В указанных работах соискателю принадлежит разработка теоретических моделей; анализ и формулировка выводов производились совместно.
Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
X - XI Всесоюзных конференциях по "Когерентной и нелинейной оптике"
(Киев, 1980; Ереван, 1982);
Всесоюзном совещании по молекулярной люминесценции и ее применениям (Харьков, 1982);
VIII Международной конференции по линейной и нелинейной спектроскопии комбинационного рассеяния света (Бордо, Франция, 1982);
XII Европейском кристаллографическом конгрессе (Москва, 1989);
VI Международном симпозиуме по цветной металлургии (Балатоналига, Венгрия, 1989);
VII Международной конференции по быстрозакаленным материалам RQ-7 (Стокгольм, Швеция, 1990);
V Всесоюзной конференции "Аморфные и прецизионные сплавы. Технология, свойства, применение" (Ростов Великий, Россия, 1991);
III-V Межгосударственных семинарах "Структурно-морфологические основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий" (Обнинск, Россия, 1995, 1997, 1999);
I-II Международных семинарах по неравновесным явлениям в переохлажденных жидкостях, стеклах и аморфных материалах (Пиза, Италия, 1996,1998);
Международной конференции "Физические явления в твердых телах" (памяти акад. И.М. Лифшица) (Харьков, 1997);
III Международной конференции по релаксации в сложных системах (Виго, Испания, 1997);
Мемориальном симпозиуме акад. В.Н. Гриднева "Металлы и сплавы: фазовые превращения, структура, свойства" (Киев, 1998);
XX Международной конференции "Релаксационные явления в твердых телах" (Воронеж, Россия, 1999).
Публикации. Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, представлены в 40 работах, в том числе в 20 статьях в научных журналах, одном авторском свидетельстве на изобретение, двух сборниках трудов международных конференций, двух препринтах и 15 сборниках тезисов конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка использованных источников. Работа изложена на 316 машинописных страницах и включает в себя 33 рисунка. Список цитируемой литературы состоит из 439 наименований. Объем основного текста (без литературы) составляет273 страницы.