Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время большое внимание уделяется изучению материалов. претерпевающих мартенситам е фазовые превращения. Это связано с тем, что данные материалы обладают уникальными физическими и механическими свойствами. Накануне мартенсктного превращения часто наблюдаются аномалии различных свойств материала, которые связаны с развитием структурной неустойчивости кристаллической решетки при приближении к точке мартенситного перехода. Исследование причин возникающих аномалий позволяет получить важную информацию о физической природе и микроскопическом механизме подготовки кристаллической структуры к предстоящему мартенситному превращению. Понимание физики явлений, происходящих в предмартенситной области, неразрывно связано с вопросом о механизме зарождения мартенситной фазы и роли структурных дефектов в этом процессе.
С точки зрения влияния дефектов структуры на мартенситные превращения последние можно условно разделить на две труппы: превращения существенно I рода и неявно выраженные превращения первого рода и близкие ко второму. К первой группе относятся стали и большинство сплавов на основе железа. Зарождение мартенситной фазы в данных материалах происходит на сложных дефектах структуры, таких как границы зерен, межфазные границы, свободная поверхность и т.д. Подобные дефекты, являясь микроконцентраторами напряжений, понижают активационный барьер зарождения мартенситной фазы. К материалам, претерпевающим "слабый" переход I рода или близкий ко II роду, относятся In-TI, сплавы на основе благородных металлов, на основе TiNi и другие. В материалах этой группы предпереходные аномалии наиболее выражены. Это проявляется в аномальном поведении электросопротивления, коэффициента внутреннего трения, размягчении модулей упругости, пояатяются провалы на кривых дисперсий фононов при характерных значениях волнового вектора, наблюдается диффузное рассеяние электронов и экстрарефлексы на микроэлектронограмме, происходит изменение электроной структуры. Наличие "предвестников" мартенситного превращения делает неочевидным вопрос о том, что одни и те же факторы определяют мартенситное превращение в указанных группах материалов. Известно, что при "слабых" переходах I рода движущая сила превращения в несколько раз меньше, чем при переходах существенно I рода. В этом случае есть основание предположить, что важную роль в зарождении мартенситной фазы могут играть простые дефекты кристаллической структуры (дислокации, дефекты упаковки, комплексы точечных дефектов) и их взаимодействие с мягкими фононными модами. Дефекты могут явиться центрами зарождения или
закрепления возникающих областей с ближним порядком смещений атомов и промежуточных структур сдвига.
Ямада для объяснения асимметричной картины сдвигов зкстрарефяексов в обратном пространстве в сплавах TiNi(Fe) предположил , что наличие глубокого провала на кривой ТАг <ь0> дисперсии фононов приводит к модулированной релаксации решетки в окрестности дефектов, В условиях мягкой моды смещения атомов вокруг дефектов (в роли которых могут выступать атомы железа) локально скоординированы по типу будущей мартенситной R фазы . Образованные искаженные области рассматриваются как зародыши мартенситной структуры. При понижении температуры области модулированной релаксации решетки растут, начинают взаимодействовать между собой , взаимно ориентируя друг друга, и при некоторой температуре формируется стабильное мартенситное ядро. Модель была рассмотрена для случая линейной цепочки атомов и квадратной плоской решетки, содержащих дефект. При этом дефект вводился искусственно путем смещения атомов в заданные положения. Может ли модулированная релаксация возникать в окрестности дефектов в реальной структуре и какого вида должны быть эти дефекты, остается неясным. Кроме того, в модели Ямады учитывается наличие неустойчивости кристаллической решетки по отношению к коротковолновой фононной моде, тогда как неустойчивость решетки по отношению к длинноволновым фононам не рассматривалась. Таким образом, невыясненной остается роль низких модулей упругости или мягкой решетки.
Важным оказывается не только присутствие, но и распределение дефектов в высокотемпературной матрице. Известно, что в сплавах TiNi, обогащенных никелем, в зависимости от термообработки меняется последовательность превращений от В2-»В19' в закаленных сплавах к B2-»R—ИЗ 19' в отожженных. Предполагается, что этот факт связан с формированием дальнего порядка в размещении избыточных атомов никеля в отожженных сплавах. В системе Ni-Al при содержании Ni>60 ат.% упорядочение атомов никеля вдоль направлений <100> приводит к развитию структурной нестабильности В2 решетки и мартенситному превращению. Упорядочение вакансий в интерметаллическом соединении a-AlFeSi вызывает образование ромбоэдрической сверхструктуры.
Несмотря на то, что к настоящему времени предложен ряд моделей зарождения мартенситной фазы, которые позволяют объяснить многие аспекты микроскопического механизма мартенситного превращения, ни одна из них не может в деталях описать пути реакции превращения и механизм наследования дефектов высокотемпературной структуры мартенситной фазой. Эти задачи можно решить методом компьютерного моделирования.
Ыль_эть1: методом компьютерного моделирования исследовать влияние дефектов кристаллической структуры на мартепситные превращения в ОЦК системах с низкими модулями упругости.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
I.Разработать алгоритм нетрадиционного метода молекулярной динамики, допускающего изменение объема и формы моделируемого блока.
2.Исследовать характер полей смещения атомов в окрестности дефектов кристаллической структуры при разной величине упругих модулей.
З.Исследовать влияние симметрии, концентрации и кооперативного поведения точечных дефектов, а также дефектов упаковки на устойчивость кристаллической решетки и возможность реализации мартенситного превращения при разной величине упругих модулей.
4.Изучить характер наследования дефектов исходной структуры мартенситной фазой.
Научная новизна. В рамках метода молекулярной динамики Паринелло-Рахмана, допускающего изменение объема и формы моделируемого блока, разработана расчетная схема, позволяющая исследовать значительную структурную реорганизацию системы под действием произвольного тензора напряжений. Исследовано влияние типа, симметрии и взаимодействия регулярно расположенных комплексов точечных дефектов, а также дефектов упаковки на устойчивость решетки и реализацию мартенситного превращения в ОЦК и В2 структурах. Показано, что в зависимости от типа и симметрии дефекты могут как стабилизировать исходную структуру, так и способствовать ее неустойчивости и развитию превращения по сдвиговому механизму. Установлено, что в предмартенситном состоянии, когда система находится на границе своей стабильности, взаимодействие полей деформаций, возникающих в окрестности дефектов, может оказать влияние на выбор возможного пути мартенситного перехода. Рассмотрен вопрос о наследовании мартенситной фазой комплексов точечных дефектов В2 структуры, вызванных отклонением от стехиометрии и нарушением порядка в расположении атомов. Установлено, что при переходе из В2 фазы,в ш-подобную структуру образуются высокоэнергетические линейные цепочки точечных дефектов в направлении <111>в2, что в ряде случаев сопровождается увеличением числа точечных дефектов в мартенситной фазе. Это обстоятельство может играть важную роль в определении обратного пути мартенситного превращения.
Научная и практическая ценность. Результаты работы могут быть использованы для развития физических представлений о роли структурных дефектов в мартенситных фазовых превращениях, а также при интерпретации экспериментальных данных по микроскопическому механизму мартенситного перехода. Разработанный комплекс программ позволяет провести компьютерное моделирование по влиянию других типов
дефектов кристаллической решетки на мартенси гное превращение и рассмотреть образование мартенситной фазы под действием внешних напряжений.
На защиту выносятся следующие положения:
1 .Расчетная схема, основанная на методе молекулярной динамики Паринелло-Рахмана, допускающего изменение объема и формы моделируемого блока, которая позволяет исследовать значительные атомно-структурные преобразования в изучаемой системе под действием произвольного тензора напряжений.
2.Полученные в рамках данной схемы результаты но влиянию точечных дефектов, их комплексов, а также дефектов упаковки на устойчивость ОЦК решетки и В2 сверхструктуры и возможность развития в них мартенситных превращений при низких модулях упругости.
З.Данные о том, что взаимодействие полей деформаций, возникающих вокруг регулярно расположенных дефектов, оказывает влияние на выбор пути мартенситного перехода и конечную структуру мартенситной фазы.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на V Всесоюзном совещании "Фундаментальные проблемы старения. Разработка новых классов стареющих сплавов" (Свердловск, 1989); Всесоюзном совещании "Диаграммы состояния металлических систем" (Москва, 1989); Всесоюзном семинаре "Материалы с эффектом памяти формы и их пременение" (Новгород-Ленинград, 1989); Международной конференции "Новые методы в физике и механике деформируемого твердого тела" (Нальчик, 1990); Всесоюзной конференции "Мартенситные превращения в твердом теле" (Косово-Киев, 1991); И-ой Международной школе-семинаре "Эволюция дефектных структур в металлах и сплавах" (Барнаул, 1994).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 статей, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 37 рисунков, 1 таблицу и список цитируемой литературы из 128 наименований. Общий объем диссертации 148 страниц.