Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из превращений, лежащих в основе новейших технологий создания конструкционных материалов, является атомное упорядочение сплавов. При упорядочении можно получить набор свойств, оптимально сочетающих низкое электросопротивление, высокую прочность, подходящие магнитные и оптические характеристики. Кроме металловедческих задач, при изучении атомного упорядочения выявляются вопросы, важные для понимания фундаментальных аспектов физики твердого тела. В связи с этим на протяжении многих лет проводились обширные теоретические и экспериментальные исследования, бинарных сплавов, в которых изучались кристаллические структуры, их устойчивость, влияние на свойства материалов, переходы от дальнего порядка (ДП) к ближнему порядку (БП) и наоборот. Значительный вклад в развитие представлений физикиатомного упорядочения внесли отечественные учёные Смирнов А.А., Кривоглаз М.А., Иверонова В.И., Кацнельсон А.А., Панин В.Е., Сюткина В.И., Шаш-ков О.Д., Нестеренко Е.Г., Попов Л.Е., Глезер A.M., Матысина З.А. и многие другие. Огромны в этой области заслуги зарубежных исследователей.
В основном, теоретические описания атомного упорядочения и фазового перехода дальний порядок-ближний порядок (ФП ДП-БП) выполнены для сплавов с идеальной бездефектной кристаллической решеткой. В действительности состояния упорядоченных сплавов более сложные. Здесь присутствуют многочисленные дефекты разного масштабного уровня от точечных нарушений, атомных кластеров, микросегрегаций, микродоменов, антифазных доменов (АФД) до границ зерен. Важным дефектом кристаллической структуры являются антифазные границы (АФГ) разной природы: термические, периодические и деформационные. Как выяснилось из теоретических и экспериментальных исследований, они имеют ненулевую толщину вблизи Тк. Вблизи АФГ существенно изменяется состояние материала по сравнению с состоянием внутри домена, здесь понижается параметр дальнего порядка (ПДП), также АФГ понижают степень упорядоченности материала в целом. Почти во всех случаях упорядочения сплавов на основе ГЦК решётки возникает доменная структура с разным средним размером доменов, лежащим в пределах от микронов до нанометров. Этот дефект упорядоченного состояния не принимался во внимание при теоретическом описании ФП ДП-БП и анализе его закономерностей. Хотя процессы размытия АФГ и понижение ПДП на них при приближении к Тк играют важную роль в ФП.
Рассматриваемые в статистических теориях состояния ДП и БП, чётко разделе
ны температурой ФП. Такой подход является упрощённым, поскольку между ними
существует глубокая взаимосвязь. Ниже Тк существует фаза с крупными домена
ми, а выше - с микродоменами, характеризующимися высокой степенью локаль
ного порядка в них, так что ФП ДП-БП происходит между фазами с неполным ДП
и совершенным локальным порядком. Состояния разупорядоченной фазы с микро
доменным локальным порядком недостаточно исследованы. Они могут демонст
рировать внутрифазовые превращения, переходя из одного структурного состоя
ния В Другое. J , :,...' :'.А*Ї j
Развитие представлений о природе упорядоченного состояния немыслимо без проведения исследований по выяснению особенностей формирования как упорядоченной фазы, так и разупорядоченной в процессе изотермических отжигов, а также механизмов, реализующих эти процессы. Детальное знание кинетики превращения, её закономерностей необходимо для описания структуры, возникающей на разных стадиях превращения материалов при разных температурных условиях.
В основном представления об упорядоченных состояниях и ФП связаны с температурным воздействием, однако, в такой же степени пластическая деформация, мржет изменять состояния сплавов. Влияние пластической деформации на упорядоченные сплавы носит двойственный характер. Во-первых, пластическая деформация приводит к нарушению ДП в материале, особенно увеличивает плотность АФГ. Во-вторых, процессы, происходящие при деформировании материала, способствуют появлению разного типа дефектов, стимулирующих восстановление ДП. В разное время появлялись работы, указывающие на эти возможности. Однако целенаправленного изучения деформационно-стимулированного ФП ДП-БП не проводилось, хотя косвенные выводы о разрушении дальнего атомного порядка при деформации следовали из электронно-микроскопического исследования структуры деформированных сплавов.
Выяснение особенностей состояний, обусловленных несовершенствами кристаллической структуры разной природы, является важным этапом в развитии представлений о превращениях, происходящих в твердых телах. Прежде всего, это изучение влияния АФГ как термических, периодических, так и деформационных на ФП в сплавах, обладающих разнообразными сверхструктурами.
Целью данной работы является как экспериментальное, так и методами математического моделирования исследование закономерностей ФП дальний порядок -ближний порядок и ближний порядок - дальний порядок, вызванных температурным и деформационным воздействиями в упорядочивающихся на основе ГЦК решётки бинарных сплавах со сверхструктурами /Л2, 12(М), Z12(MM), >1а, имеющих наномасштабные домены, выяснение механизмов этого превращения и роли АФГ в них.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Детально исследованы характеристики кристаллической структуры и АФГ при
температурах выше и ниже температуры фазового превращения порядок-беспорядок в сплавах со сверхструктурами L\2, ІЬ(М), Ll2(MM), Dla. Выявлены закономерности поведения структурных характеристик равновесных состояний в процессе температурного ФП из состояния с ДП в состояние с БП в особенности в окрестности Тк-
2. С целью выяснения особенностей формирования фазы с ДП внутри фазы с БП и
фазы с БП внутри фазы с ДП изучены кинетика перехода от ДП к ближнему и от БП к дальнему при изменении температуры. Измерены значения энергии активации увеличения параметра дальнего порядка и роста доменов. Это позволило определить механизмы процессов перестройки атомной структуры при возникновении фаз с ДП и БП.
3. Исследованы характеристики кристаллической структуры, поведение системы
АФГ, изменение степени упорядоченности сплавов со сверхструктурами L\2 и Ы2(М), І2(ММ) при пластической деформации. Изучено влияние исходного структурного состояния и энергии упорядочения сплавов на процесс деформационного разупорядочения. На основе этого выявлялись корреляции между изменениями структурных параметров и ПДП для установления механизмов деформационного превращения ДП - БП.
4. Построена физическая модель, которая объединяет механизмы разрушения ДП,
а также механизмы деформационного и термического упрочнения в сплавах со сверхструктурой L\2. Методами моделирования исследованы процессы деформационного разрушения ДП, связанные с движением и размножением дислокаций. В модели учтены элементарные процессы деформационного разрушения ДП в сплавах со сверхструктурой Ll2, выяснена их относительная роль. Научная новизна диссертационной работы. В представленной работе впервые проведено комплексное исследование состояний упорядочивающихся как крупно-, так и мелкодоменных сплавов при температурном и деформационном воздействии, а также кинетика установления и разрушения состояния ДП. Экспериментально изучено поведение равновесных характеристик упорядоченных сплавов на основе золота с нанодоменной структурой при изменении температуры. Выявлена роль АФГ, как термических, так и периодических в ФП ДП-БП.
Изучение кинетики увеличения ПДП и роста АФД в сплавах с разными сверхструктурами выявило особенности формирования фазы с ДП в кубических и некубических структурах. В сплавах с некубической сверхструктурой на кривых зависимостей средних размеров АФД дополнительно к стадиям зарождения, роста, коалесценции трансляционных доменов и насыщения обнаружена стадия переориентации ориентационных доменов. Исследование восстановления ДП в деформированном и недеформированном сплавах дало возможность определить энергию активации роста доменов и механизмы этих процессов. Сопоставление кинетики упорядочения и разупорядочения выявило особенности возникновения фаз с ДП и с БП, различие механизмов их формирования.
Проведено систематическое исследование деформационного разупорядочения в сплавах, обладающих широким спектром структурных и физических параметров. Измерены ПДП, параметры решётки, размеры областей когерентного рассеяния, доменов, микроискажения кристаллической решётки, получены закономерности разрушения ДП в сплавах со сверхструктурой Ll2, il2(M), Z,12(MM). Предложена схема разрушения ДП при пластической деформации.
В работе описаны элементарные механизмы понижения ДП при пластической деформации. На основе феноменологической модели термического и деформационного упрочнения построена математическая модель и впервые описано деформационное разрушение ДП в сплавах со сверхструктурой L\2.
Комплексное исследование температурного и деформационного ФП ДП-БП совместно с кинетическими процессами упорядочения и разупорядочения выявило общность, а также различие ФП, инициируемых различными типами воздействий.
Научная и практическая ценность диссертационной работы. Выполненные в диссертационной работе исследования формируют современные представления об особенностях ФП ДП-БП, стимулированного, как температурным, так и деформационным воздействием, выявляют механизмы реализации перехода от одной фазы к другой, взаимосвязь между состояниями дальнего и ближнего порядка. Эти представления можно использовать как учебный материал при написании учебников по физике твёрдого тела и монографий.
Экспериментальные закономерности, описывающие процесс разрушения ДП в сплавах со сверхструктурами Ll2, L\2(M), /Л2(ММ) при деформации, являются базой для построения и верификации различных теорий ФП ДП-БП, индуцированных пластической деформацией, позволяют судить о механизмах деформационного ра-зупорядочения. Они были использованы для построения кинетической модели деформационного разупорядочения. Результаты математического моделирования процесса разрушения ДП в сплавах со сверхструктурой Ы2 при пластической деформации позволили объяснить некоторые особенности и закономерности этого явления, а также выявить роль различных механизмов разрушения ДП.
Полученные результаты полезны при планировании новых экспериментальных и теоретических работ по выяснению структуры БП и её эволюции при переходе в разные температурные области, а также при пластической деформации. Данные, полученные при изучении кинетики формирования БП из дальнего при температурах превышающих Тк, являются основой для последующих экспериментальных и теоретических исследований. Совокупность экспериментальных данных может быть использована при создании технологий получения новых материалов на основе упорядоченных сплавов, в том числе наноматериалов.
Впервые получены и выносятся на защиту следующие результаты:
Совокупность экспериментальных результатов, полученных рентгеновскими методами и описывающих параметры равновесных состояний упорядочивающихся сплавов со сверхструктурами L\2, L12(M), Z.12(MM), >1а ниже и выше Тк, закономерности формирования нанофаз с дальним и ближним порядком, Закономерности изменения структурного состояния при деформации упорядоченных сплавов со сверхструктурой L\2, L\2(M) и L12(MM).
Механизмы термического ФП ДП-БП в сплавах на основе ГЦК решётки, полученные на основе экспериментальных данных, и особую роль антифазных границ в превращении ДП-БП. Представления о наноструктурных состояниях исследованных фаз с ближним порядком непосредственно выше Тк и эволюции і этих состояний при изменении температуры.
Установленные кинетические закономерности восьмистадийного формирования ДП из ближнего, полученного термическим разупорядочением, в исследованных сплавах со сверхструктурами L\2, Z,12(MM), Dla и при восстановлении ДП в сплаве Cu-22 aT.%Pt из ближнего порядка, полученного деформацией. Кинетические закономерности перехода от ДП к ближнему, связанного с пери-тектоидным превращением, а также механизмы установления ДП и БП.
В сплавах, подвергнутых деформации, упорядоченное состояние более устойчиво при высокой энергии упорядочения, а при малых деформациях в присутствии периодических АФГ и в монокристаллах.
Установленную для всех исследованных сплавов единую связь между параметром дальнего порядка и плотностью АФГ при термических и деформационных ФП ДП-БП.
Схему гетерогенного разрушения атомного ДП при пластической деформации.
Дислокационную модель разрушения ДП при пластической деформации сплавов со сверхструктурой Ы2, учитывающую совокупность элементарных механизмов нарушения ДП, где главную роль играют накопление трубок АФГ и движение одиночных дислокаций.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на следующих всероссийских и международных конференциях: V, VI VII Всесоюзных совещаниях по упорядочению атомов и влиянию упорядочения на свойства сплавов. (Томск 1976; Киев 1978, Свердловск 1983); X, XI Всесоюзных совещаниях по тепловой микроскопии (Новокузнецк 1982, Москва 1986); Объединенном заседании трех постоянных Всесоюзных семинаров: "Дифракционные методы исследования искаженных структур", "Актуальные проблемы прочности" и "Физико-технологические проблемы поверхности металлов", Череповец 1988; I, II Всесоюзных н-т. конференциях "Прикладная рентгенография металлов" Ленинград, 1986, 1990; V, VI Всесоюзных совещаниях по старению металлических сплавов "Фундаментальные и прикладные аспекты исследований структуры и свойств" Свердловск 1989, 1992; III, IV, V Всесоюзных конференциях по кристаллохимии интерметаллических соединений. Львов, 1978, 1983, 1989; II, III, IV Всесоюзных школах по "Диаграммам состояния в материаловедении" (Кацивели 1982, Одесса 1986,1991); IV, V Всесоюзных совещаниях "Диаграммы состояния металлических систем" Звенигород, 1982, 1989; Всесоюзном семинаре "Кинетика и термодинамика пластической деформации" Барнаул, 6-9 сентября 1988; 11 семинаре "Методы получения, структура и свойства гидридов металлов и интерметаллических соединений, 1989, Киев-Одесса; Республиканской конференции "Физико-химические основы производства металлических сплавов". Алма-Ата, 12-14 июня 1990 г; "Структура, дефекты и свойства сплавов полученных нетрадиционным легированием" Семинар 22-26 марта 1993 г. Екатеринбург; I - VII международных школах-семинарах "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах", Барнаул (1992, 1994, 1996, 1998, 2000, 2001, 2002); XII, XIV международных конференциях по Физике прочности и пластичности материалов, Самара 1989, 1995; Materials & Instability under Mechanical Loading, St Peterburg, 1996; Международной конференции "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений", Тамбов (1996); 5th, 6th International School "Phase Diagrams in Materials Science" (ISPDMS'96, Katsyively 1996, PDMS'2001, Kyiv, 2001); III, IV, V Межгосударственных семинарах "Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий", Обнинск 1995, 1997, 1999; Международном семинаре "Актуальные проблемы прочности имени В.А.Лихачева" и ХХХШ семинаре
"Актуальные проблемы прочности" Новгород, 1997; Eigteenth European Crystallographic Meeting, Praha, Czech Respublic, 1998; 6th European powder diffraction Conference (EPDIC-6). Budapest, Hungary, 1998; Мемориальном симпозиуме в честь академика А.А. Смирнова "Порядок в металлах и сплавах" 1998, Киев; International Conference on Solid-Solid Phase Transformation^ (PTM'99), Kyoto, Japan, 1999; V Russian-Chinese International Symposium "Advanced Materials and Processes", Baikalsk, Russia; VI Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы материаловедения" (Новокузнецк, 1999); Международных семинарах "Актуальные проблемы прочности" (Псков, 1999; Витебск, 2000; Тамбов, 2000; Киев, 2001); III Международном семинаре "Современные проблемы прочности" имени В.А.Лихачева. (Старая Русса, 1999, 2001); Всероссийской конференции "Дефекты структуры и прочность кристаллов" (Черноголовка, 2002); Международных симпозиумах "Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах" (Сочи, 2001, 2002); "X, XI, XII, XIII, XIV Петербургских чтениях по проблемам прочности" 1999, 2000,2001, 2002,2003 и др.
Публикации. По материалам диссертация имеется 150 публикаций. Перечень основных работ приведен в конце автореферата.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, в котором приведены основные результаты и выводы, а также списка цитируемой литературы. Общий объем составляет 592 страницы, включающим 347 страниц текста, 289 рисунков, 38 таблиц, 457 библиографических ссылок.
