Введение к работе
Актуальность работы, научное направление. Явление атомного упорядочения в сплавах вызывает значительные изменения многих свойств: электрических, магнитных, механических и других. Упорядоченные сплавы находят все возрастающее применение в качестве конструкционных, прецизионных, реакторных материалов; используются в электротехнике, э.-jKTpoHHOM машиностроении. Исследование природы конкретных свойств упорядоченных сплавов свидетельствует, что их характеристики прежде всего связаны с особенностями внутренней структуры, зависящих как от типа СБерхструктуры, которую они ооразуют-, так и от свойств компонентов сплава. Механические свойства упорядоченных сплавов в процессах пластической деформации связаны с развитием в них особых типов плоских дефектов - антифазных границ (АФГ), которые в сочетании с дефектами упаковки (называемыми сворхструктурными (СДУ)) могут формировать комплексы, именуемые комплексными дефектами упаковки (КДУ). С подобным разнообразием дефектов коррелирует многостздкЯкость реакций дислокационных превращений в упорядоченных сплавах. Установлено, что пленарные дефекты играют важную роль в процессах, развивавших аномалию температурных свойств упорядоченных сплавов. В различных сочетаниях дефекты участвуют в формировании их ансамблей. В свою очередь структура и свойства дефэктов в упорядоченных сплавах регулируется различными факторами: температурой, степенью ближнего и дальнего порядка, отклонением от стехиометрии, наличием примесей, внешних сил или давления.
В исследовании и классификации закономерностей физического и физико-механического поведения упорядоченных сплавов велики заслуги отечественных школ благодаря работам А.А.Смирнова, В.И.Иве-роновой, Л.Е.Попова, В.И.Сюткнной, В.Е.Панина, Э.В.Козлова, Б.А.Гринберг, Н.С.Голосова, Н.А.Коневой, В.И.Гоманькова, З.А.Матысиной, А.Д.Коротаєва, A.M.Глезера, А.А.Кацнелъсона и др. Значительное внимание изучению данной проблемы постоянно уделяется бо многих развитых странах мира. Так, П.А.Флинн впервие вывел достаточно простое выражение, характеризующее энергию образования АФГ сдвигового типа, позволивиее в дальнейшем предсказать возможные дислокационные превращения в сверхструктурах. М.Марсинков-ский, Н.Браун, А.Гемперле.и др. внесли существенный вклад в'представление о "тонкой" структуре АФГ и антйфазных доменов (АФД).
Малые размеры объектов исследования долгое время не позволяли эк-Q іиментально в колонне электронного микроскопа изучить структуру дефектов на атомном уровне, охарактеризовать их роль в формировании физико;механических свойств сплавов. Для разрешения такої проблемы и в целях упрощения процедуры анализа в последние десятилетия развивается относительно новое направление в физике твердого тела - компьютерное моделирование. Так, например, Р.Котте-рилл и М.Дояма Епервые рассчитали атомную конфигурацию ядра дислокации в меди, позднее В.Витек с соавторами обнаружил два класи плоских дефектов в сверхструктурах: стабильных и нестабильных относительно вектора решеточной трансляции, создающего дефект. Подобные области нелинейности смещений атомов из узлов кристаллической решетки должны влиять на подвижность дислокаций, блокировать их, а, следовательно, приводить к деформационному упрочненю материала. Полученные в последние года экспериментальные дашше свидетельствуют, о том, что в упорядоченных сплавах и интэрметал-лидах, особенно при повышенных температурах и давлении, возмоаеі спектр многообразных дислокационных превращений, который не може1; "предсказать упрощенная модель П.Флинна; классификация атомної конфигурации дефектов, базирующаяся на принципе зеркальной симметрии Неймана оказывается ненадежной; а классификация дефектої на стабильные и нестабильные незавершенной. Другими словами, наряду с такими изпстными областями нелинейности деформации в кристалле как ядро дислокации, следует учитывать существование яде] пленарных дефектов при попытках дать аналитическое описание проблемы деформационного упрочнения упорядоченных сплавов.
Настоящая работа посвящена развитию нового научного направления в физике твердого тела, связанного с построением кристалло-геометрическоя концепции описания реальных упорядоченных сплавов Новая концепция позволила рассчитать энергетику многих типов дефектов; решить задачу наиболее полной классификации дефектов и к комплексов. Важными составляющими исследований являлось моделирование смещений атомов, локализованных вблизи дефектов; разработкі для этих целей методов построения потенциальных функций межатомных взаимодействий применительно к сплавам; развитие методов моделирования на ЭВК1 равновесных атомных конфигураций; прогнозирование на основе сведений об атомной структуре дефектов сьойсті сплавов на макроскопическом уровне.
Цель работы: Разработка теории дефектов упорядоченных спла-
bob, включающей их систематику, исследование кристаллогеометрии, энергетики, компьютерное моделирование равновесных атомных конфигураций. Для этого необходимо решение следующих задач:
проведение наиболее полной классификации пленарных сверхструктурных дефектов в упорядоченных сплавах на основе ОЦК и ГЦК решеток;
обоснование и развитие методики аналитического описания энергетики .дефектов в сверхструктурах и сЕерхрешетках с учетом изменений в межатомных связях компонент в произвольном числе координационных сфер;
обоснование методов определения параметров потенциалов, имитирующих межатомные связи в многокомпонентных сплавах;
развитие методик компьютерного моделирования тонкой структуры дефектов в упорядоченных сплавах, классификация пленарных дефектов по характеру атомных смещений вблизи них;
изучение с помощью компьютерного эксперимента влияния различных факторов: . температури, давления, порядка, отклонения от стехиометрии, легирования на свойства дефектов в сверхструктурах.
Научная новизна. В работе впервые проведена полная классифя-' кация планарних свврхструктурнвх дефектов в упорядоченных сплавах на основе ГЦК и ОЦК решеток. Построен новый алгоритм практической кристаллографии, базирующийся на пространственном распределении по координационным сферам семерки правильных и полуправильных фигур Платона и Архимеда, позволивший с единых позиций описать заполнения узлов и междоузлий в решетках и сверхрешетках; применена теория 9-рядов к описаний пространственного заполнения структуры. Юлучены аналитические выражения, определяющие энергию образовать таких дефектов, как АФГ в широком наборе ориентации и типов, груоск АФГ, с- доменоЕ, пересечение и стыков АФГ для сверхструк-гур ы2, ы 1, ы0, nia, Ё2,- го3, La.,, и других; предсказывается зозможность реализаций трубок АФГ минимальной толщины, названных голосками антифазности (ПА); показаны варианты образования несильних классов трубок. АФГ в зависимости от угла разориенташга зекторов антифазности границ, образующих комплекс Исследованы зозможные варианты пересечений АФГ, для которых характерно нали-ше ' особой .области'-, ядра-пересечения.' Делается предположение, іто зоны пересечения АФГ-могут служить зародыиами R или w- фаз в :верхструктурах. Проведена- феноменологическая классификация ДУ, юкааано, что они могут формировать комплексы не только с САФГ,
но и с гранітами сдвига и вычитания и их комплексами.
Проанализированы метода определения параметров межатомных потвЕЦИалов, применяемых для описания свойств сплавов. Предложен набор уравнений, с помощью которых можно находить параметры потенциалов для многокомпонентных систем. Дан перечень экспериментально определяемых характеристик сплавов, с помощью которых удается достаточно надежно провести тестирование рассчитанных потенциальных функций..Проанализированы методы компьютерного моделирования анергии и атомной конфигурации дефектов в сплавах.
В рамках компьютерного моделирования в приближении парных ангармонических межатомных потенциалов впервые выполнены расчеты атомных конфигураций АФГ, трубок АФГ, АФГ сдвига и вычитания и их комплексов; сверхструктурных дефектов упаковки типа вычитания, внедрения двойников и их комплексов с различными типами АФГ; дислокации, точечных дефектов на примере серии конкретных модельных сплавоа свэрхструктур ы2, Ы0, Б2, ю3. Выявлены основные деформации решетки вблизи дефектов, приводящие к локальному изменению объема, расщепления плоскостей, параллельных поверхности дефекта, на несколько подплоскостей, внутриплоскостным деформациям в упаковке атомами компонент сплава, дополнительным нетрансляционным сдвигам плоскостей и вращениям направлений векторов стабилизирующего сдвига в ближайшем соседстве дефекта. По локализованным вблизи плоского дефекта смещениям атомов проведена наиболее полнея их классификация. Выявлена роль фактора размерного несоответствия компонент и "жесткости" межатомных связей на атомную конфигурацию и энергетику дефектов, а, следовательно, на реализацию всзмокных типов дислокационных превращений. Показано, что методы линейной континуальной теории упругости не "работают" как в области ядра дислокаций., так и в достаточно протяженном окружений плоских, точечных и пленарных.дефектов; обнаруженные особенности в поведении дефектов необходимо учитывать при попытках создания теорий деформационного упрочнения упорядоченных сплавов.
Предложено и проанализировано несколько моделей описания структуры и ориентационной зависимости энергий в сплаве в,зависимости, от ^температуры, '.параметра дальнего порядка и отклонения от стехиометрии. Показана сложная картина сегрегации атмосфер точечных дефектов вблгзи плоских, предсказаны направлешя-термоактиви-руемых превращений-между плоскими дефектами'. за счет сегрегации точечных дефектов. Исследовано влияние типь. легирующего элемента
- ? -
и его концентрации на ориентациошое состкоиенке между разлігашкн типами плоских дефектов, и следовательно, их воздействие яа трансформацию типов дислокационных превращений.
Впервые вшіолнен анализ влияния всестороннего сжатия (растяжения ), одноосного сжатия(растяжения), на атомную конфигурацию и ориентационное соотношение между энергиями плоских дефектов; оценена роль деформации в распределении атмосфер, точечных дефектов волизи плоских. Продемонстрировано влияние плоских дефектов в фазовых превращениях сверхструктур.
Практическая ценность. Представленные в работе методы практической кристаллографии позволяют упростить.процедуру определения распределения атомов по координационным сферам в реаетках в сверхрешетках, как в "идеэльной" упаковке, так и вблизи различных дефектов. Полученные аналитические выражения энергий образования различных типов АФГ и их комплексов значительно расширяют возможности феноменологического описания пластической деформации я деформационного упрочнения по сравнению с моделью Флиння.
Обнаруженные поля смешений атомов вблизи дефектов могут быть использованы при построении соответствующих теорий электронношос-роскопического контраста, а, следовательно, идентификации дефектов при их наблюдении в колонне электронного микроскопа. Выявленные закономерности влияния на оряентационную анизотропию дефектов отклонения от стехиометрии, температуры, параметра дальнего порядка и легирования сплавов формируют наряду с вышеуказанными результатами, а также и результатами других исследований основательные предпосылки для создания общей теории прочности я пластичности упорядоченных сплавов. Кроме того, полученные результаты позволяют выделить основные моменты, которые могут быть использованы в задачах целенаправленного регулирования свойств упорядоченных сплавов и интерметаллидов.
Полученные результата показывают перспективность развиваемого научного направления, основанного на компьютерном моделирова-чии кристаллогеометрии разнообразных дефектов с целью исследования тонкой структуры реального материала на микроуровнв для последующего обобщения их влияния на макро-процессы.
Результаты настоящей работы находят применение в исследова-щ«ях научных сотрудников Томска (СФТИ, ТИСИ), Екатеринбурга (ИФМ УРО ран, УГТУ), Москвы (ЩИ Чермэт, МГУ), Донецка (ДІТИ), .Харькова (ФТИКТ. ХГУ) и др.
Автор защищает следующие положения и результаты.
1. Метод пространственного описания заполнения атомами коор
динационных сфер в решетках и сверхрешетках. Применение аппарата
теории е-рядов к проблеме описания энергетики планарных дефектов
в упорядоченных сплавах, учитывающий эффекты взаимодействия меаду
дефектами в комплексах, наличие кристаллогеометрических законо
мерностей образования различных комплексов дефектов, в том числе
вновь описанных: полос антифазностя с различной относительной
ориентацией векторов антифазности;. образований типа двойниковых
дефектов, дефектов вычитания и внедрения в сочетаниях со сдвиго
выми и дуальными АФГ; пересечений плоских дефектов.
2. Исчерпывающую классификацию планарных сверхструктурных
дефектов в ОЦК и ГЦК упорядоченных сплавах.
-
Метода построения потенциалов для огшсания(«Айств многокомпонентных систем, а также модели поиска равновесных 'конфигурации различных дефектов и их комплексов в сверхструктурах.
-
Обнаруженные особенности взаимодействий точечных дефектов с плоскими и их роль *в процессах термоактивируемой перестройки микроструктуры плоских и планарных дефектов, а также в реализуемых механизмах дислокационных реакций превращения при пластической деформации и деформационном упрочнении сплавов.
5.. Возможность реализации фазовых превращений в упорядоченных сплавах за счрт взаимодействий различных типов плоских дефектов si их комплексов с точечными дефектами.
-
Наличие связи факторов "жесткости" межатомных взаимодействии компонент и размерного несоответствия радиусов атомов компонент с особенностями физико-механического поведения упорядоченного, сплава.
-
Оценку "допустимой области применения методов континуальной теории упругости при попытках построения на ее принципах теорий прочности и пластичности упорядоченных сплавов и интерметал-лидов.
-
Возможные направления дислокационных превращений в сверхструктурах.
г Апробация работы. Материалы диссертации были доложены в виде оригинальных, обзорных докладов и лекций на II и ш Республиканских конференциях -Упорядочение атомов и его влияние на свойства сплавов", Киев (1966,1969); IV, VI и VII Всесоюзных конференциях "Упорядочение атомов и его влияние на свойства сплавов", Томск
(1972, 1976), Свердловск (1983), Симпозиуме "Металлиды; строение, своаства, приманение", Москва (1972); II, III, IV и VI Всесоюзном семинаре "Структура дислокаций и механические свойства металлов й сплаЕов", Свердловск (1980, 1984, 1987, 1993); I Всесоюзной'конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и проч-яость металлов и сплавов", Юрмала (1987); IV Республиканской конференции "Субструктурное упрочнение металлов", Киев (1987); II, III Координационном семинаре по деформационному упрочнению сталей і сплавов, Барнаул (1979, 1981); семинаре "Пластическая деформація и актуальные проблемы прочности сплавов и порошкових материалов", Томск (1982): семинаре "Термодинамика пластической деформацій", Томск (1983); III, IX семинаре "Актуальные проблемы проч-юсти", Ижевск (1Э81, 1984); VI международная конференция по разрушению, Бангалор» Индия (1984); II, III, IV Юколе по физике пла-:тичности и прочности, Харьков (1981, 1984, 1987); XI Всесоюзной конференции по физике прочности и пластичности металлов и спла-!ов, Куйбышев (1986), на Всесоюзных семинарах по моделированию іадиационних и других дефектов на ЭВМ, Тбилиси (IS3E), Алма-Ата 1985, 1989), Калуга (1987), Одесса (1986, 1988), Ташкент (1988), !умы (1990), Минск (1991), Караганда (1991), Тольятти (1993)., Ькевск (1994); IV Всесоюзном совещании "Структура и свойства не-вгнитных сталей", Москва (1983); IV Всесоюзной конференции по троению и свойствам металлических pa-сплавов, Свердловск (1986)Ї а объединенных сессиях постоянных семинаров ГС MB и ССО РСФСР по изике твердого тела, Барнаул (1985, 1987, 1988); XII и XIII Ев-опейских кристаллографических конференциях, Москва (1989),.Люб-яна, Триест (1991), XIII международной конференции по .физике' рочности и пластичности металлов и сплавов, Самара (1992), кон-еревдии по электронным мзтериэлам, Новосибирск (1992), I Мевду-арояном семинаре "Эволюция дефектних структур в металлах и сила-эх", Барнаул (1992); II международном семинаре "Структурно-эрфзлогические основы модификации' материалов", Обнинск (1993); пх межреспубликанском семинаре "Актуальные проблемы прочности", 2Ков (1993), на Международной конференции Materials Week'93, TMS ISA, Pittsburgh, pa, 1993); Петербургских чтениях по физике точности и пластичности С-Петербург' (І994), на 'международной ЗЩяренции Spring Meeting'94, MRS (USA, San Pranoisoo, CA, 1994).
Публикации, По материалам- рзооты опубликовано 260 научных >бот7
