Введение к работе
Актуальность темы и научное направление исследований. При создании материалов с необходимыми физическими и механическими свойствами широко используют беэдиффузионные (мартенситные) и диффузионные (распад пересыщенных твердых растворов) фазовые превращения, которые приводят к образованию дисперсных гетеро-фазных структур (ГС). Многочисленные экспериментальные исследования, выполненные оа последние 20 лет, обнаружили в этих системах ряд необычных сзойств и структурных особенностей, объяснение которых в рамках традиционных подходов оказалось невозможным.
Так в случае мартенситных превращений (Ml) были получены экспериментальные свидетельства о существовании особого предпе-реходного состояния (ПС) сплавов вблизи точки перехода. Существовавшая теория МП была не в состоянии объяснить предпереходные явления. Многие вопросы, возникающие при изучении'этих явлений,, носили дискуссионный характер. Одним из главных был вопрос о . установлении структурного состояния решетки сплава в предпере-ходной области, решение которого требовало разделения эффектов, связанных с динамическими и статическими смещениями атомов, на картинах диффузного рассеяния. Непонятна была роль ПС в процессе зарождения конечной мартенситной структуры, а существовавшая точка зрения о классическом механизме зарождения не имела экспериментального подтверждения.
В связи с этим весьма важной являлась разработка новой физической концепции, основанной на представлении, что МІ про- исходят в условиях определенной структурной подготовки исходной фазы. В рамках этой концепции представляются актуальными задачи описания ПС сплавов, получения условий устойчивости исходной фазы и предмартенситных структурных состояний решетки,установления реальной структуры сплавов по наблюдаемому диффузному рассеянию (ДР).
Вопросы устойчивости ГС являются центральными и при изучении диффузионных превращений, так как они тесно связаны с повышением стабильности дисперсной структуры сплавов и с выработкой рекомендаций по целенаправленному ее изменению. При изучошгл
. 3
стареющих сплавов был обнаружен ряд особенностей кинетики, обусловленных нарушением условий стационарности процесса, которые не описывались классической теорией Лифшица-Слезова-Вагнера. К числу таких особенностей, имеющих и практический интерес, можно отнести явление возврата при ступенчатом старении сплаьов, явление стабилизации ГС при изменении характера сопряжения фаз. В связи с этим развитие теоретических подходов к анализу кинетики распада на так называемых переходных стадиях коалесцен: ти является важным как в .фундаментальном, так и в прикладном отношениях.
Целью настоящей работы является разработка физических концепций и теоретических подходов, позволяющих описать особенности образования и эволюции ГС, образующихся при фазовых превращениях. В связи с этим были поставлены следующие задачи:
-
Исследовать связь между упругими и фононными характеристиками исходной фазы и типом ПС для широкого круга сплавов с ОЦК и ГЦК кристаллической решеткой.
-
Построить модели структуры сплавов в ПС и связать реальную структуру с наблюдаемыми картинами ДР.
-
Провеет., анализ устойчивости дисперсных структур с целью выяснения их роли в процессе зарождения конечной фазы.
-
Исследовать причины образования длиннопериодных псюме-жуточных структур в сплавах с низкой энергией дефекта упаковки.
-
Построить теорию структурных превращений и ДР для соединений с межщюскостным беспорядком (на примере .1T-Vfe2 ).
-
Разработать теорию эволюции и устойчивости ГС на переходных стадиях коалесценции и исследовать особенности кинетики при нагреве сплава на более высокую температуру и при релаксации внутренних напряжений.
Научная новизна работы сэстоит в развитии двух физических концепций. Первая рассматривает ПС как особое структурное состояние сплава, реализующееся в преддверьи Ш и отличающееся многообразием форм (ближний порядок смещений атомов (БПС), промежуточные структуры сдвига (ПСС), длиннопериэдные несоизмеримые структуры, но имеющие одно общее свойство - они задают определенную структурную подготовку исходной фазы перед Ш.
Развитие данной концепции включало в себя: анализ устой-
чивости кристаллической решетки относительно статических волн-смещений атомов, обнаруживаемых из ДР, с целью установления реальной структуры сплавов и ее связи с характером изменения упругих, фононних свойств, ДР при приближении к точке перехода; анализ устойчивости состояний с БПС относительно гомогенного зарождения мартенсита,построение теории структурных переходов и ДР для состояний с мзяплоскостным беспорядком, что позволяет провести идентификацию этих состояний в системах с низкой энергией дефекта упаковки (д.у.).
Вторая - это физическая концепция кинетической устойчивости л особенностей эволюции ГС стареющих сплавов на переходных стациях коалесценции, рассматривающая кинетику ансамбля частиц второй фазы как поведение нелинейной самосогласованной системы. Б рамках этой концепции получены условия устойчивости ГС при нагреве сплава относительно растворения (возврата), оствальдс-кого огрубления ГС и условия стабилизации ГС при изменении структурного состояния межфазных границ, обусловленном изменением их когерентности с матрицей.
Научная ценность работы состоит в том, что проведенные исследования существенно расширяют физические представления в проблеме фазовых превращений и предперехсдных явлений..Особо отметим такие принципиальные моменты как установление механизмов образования ПС и зароздения конечной фазы, введение понятия кинетической устойчивости ГС и диаграмм неравновесных состояний, которые отсутствовали в традиционных теориях. Установление связи между упругими характеристиками исходной фазы и ее устойчивостью к определенным типам структурных перестроек оказалось важным в плане постановки и интерпретации экспериментальных исследований, построении моделей структурного состояния сплавов, а также стимулировало развитие в последние годы электронной теории ПС и устойчивости фаз в сплавах.
Практическая ценность полученных результатов состоит в том, что они доведены до формулировки условий, критериев, рекомендаций доступных для использования в экспериментальной.работе при научном прогнозировании изменения структуры и свойств сплавов; разработке материалов с уникальными свойствами, такими как эффект памяти формы, кнзарность, сверхшгастичносгь, а также
при создании сплавов с-высокими физико-механическими и жаропрочными свойствами.
Достоверность диссертационной работы гарантируется тем, что развиваеше автором представления используют идея, надежно зарекомендовавшие себя в других областях физики твердого тела - теории твердых растворов и спинодального распада, теории структурных фазовых переходов типа смещения на основе функционала Ландау-Гинзбурга, теории Лифшица-Слезова. Достоверность результатов подтверждается также независимым воспроизведением ряда теоретических выводов в поздних по времени и выполненных другими методиками работах (например, прямыми электронными расчетами энергии сплава в приближении "замороженных" фононов); выполнением значительной части исследований совместно с экспериментом; практическим использованием результатов в ряде институтов: ИМ УрО РАН, ЦНИШМ им. И.П.Бардина, ОФТЙ им. В.Д.Кузнецова при Томском госуниверситете и других; широким обсуждением работы на многочисленных конференциях.
. Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на Международных конференциях "Мартенситные превращения" IC0MAT-77 (Киев, 1977) и IC0MAT-82 (Бельгия,Левен, 1982); 6-ом и 7-ом Всесоюзных совещаниях "Упорядочение атомов и его влияние на свойства сплазов" (Киев,1978; Свердловск, 1983); 4-ом, 5-ом и б-ом Совещаниях по старению металлических сплавов (Свердловск, 1984,1989,1992); Всесоюзных Школах "Теоретическое исследование энергетических спектров электронов и теория фаз в сплавах" (Томск, 1981,1984); Всесоюзной конференции "Сверхупругость, эффект памяти формы и их применение в новой технике"(Томск, 1985); Уральской школе металловедов-термистов (Устинов,1987); Семинаре "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их упрочнения" (Москва, 1984); б-ом Всесоюзном симпозиуме "Неоднородные электронные состояния" (Новосибирск, 1991).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в монографии, трех обзорах и тридцати печатных статьях. Список публикаций'в научных журналах и сборниках приведен в конце. Общее число опубликованных автором работ - 73.
Личный вклад автора. Работы [1,2,8,] выполнены без соавторов. Они являются основопологаюшими по 1-ой части диссертации. В работах [3-7,13,15,18,2Ї-23,25,2б] исследования проводились совместно с экспериментаторами. Личный вклад автора в них хорошо определен,'так как он является там единственным теоретиком. Работы [24,27,28,30,34] по 2-ой части выполнены совместно с И.ГЧКулеевым, экспериментальные исследования, представленные в [24,34] проведены А.В.Скриповым. Две первые работы [lO,TTJ ,; вошедшие в 3-ю часть, выполнены совместно с В.Г.Пушиным и P.P. Романовой, принимавших участие в обсуждениипостановки задачи и полученных результатов. Работы [10,11,16,19,20,29,32,Зз] выполнены под руководством и личном участии автора. В них он внес основной вклад. Обзоры [12,14,17] и монография [ЗІ] написаны, совместно с экспериментаторами, главным образом, по результатам собственных и совместных исследований.
Структура работы. Диссертация состоит из трех частей, заключения, выводов и списков цитируемой литературы (сноски даются с указанием номера ссылки и добавлением буквы "Л")и опубликованных автором работ.
В первой части приведены исследования предпереходного состояния сплавов. Эксперименты, в постановке и интерпретации которых автор принимал участие, приведены в самой необходимой мере (детально эксперимент представлен в защищенных ранее докторских диссертациях В.Г. Пушина jJIJlf и В.Н. Хачина [2Л] ). Автор не обсуждает электронных механизмов неустойчивости решетки - в этом направлении недавно защищена диссертация [ЗЙ] ..
Вторая часть посвящена изучению устойчивости и структуры несоизмеримых Фаз в дихальногенидах ^Т-^Яе2. Модельность выбранной системы поззолила в полной мере реализовать идеи, развитые в первой части, по идентификации структурного состояния решетки, исходя из термодинамического анализа и опытных данных.
Третья часть диссертации логически связана с перв&мя двудн проблемой устойчивости ГС в процессе фазозых превращений. В ней при изучении устойчивости и эволюции дисперсных структур з нестационарных условіих используется, в основном, кинетический подход.
