Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Кинетика фазовых превращений в сплавах привлекает большое внимание специалистов как в связи с общими исследованиями в области физики. неравновесных систем, так и в связи с проблемами физического, материаловедения. В первую очередь это касается процессов расслоения и распада фаз, в частности спинодального распада, фазовых переходов с упорядочением, образования различных промежуточных состояний в ходе превращений и т.д. Такие процессы, как правило, идут вдали от равновесных состояний и соответствуют эволюции существенно неравновесных систем. Понимание кинетических путей фазовых превращений важно для описания микроструктуры материалов и, тем са- іьім, для предсказания их физических свойств.
Теоретически эти проблемы изучались, с одной стороны, с помощью полуфеноменологических кинетических уравнений типа Онсагера (Хачатуряном, Ченом и др.), с другой стороны, методами прямого моделирования Монте-Карло. Большинство новых результатов был получено с использованием кинетических уравнений, которые являются физически более прозрачными и универсальными, чем методы прямого моделирования. Однако, основным недостатком упомянутых уравнений является то, что ясная область их применения ограничена только . слабонеравновесньгми состояниями. Используемая же обычно, экстраполяция, данных уравнений в существенно нелинейную область сильной неравновесности не может быть обоснована и приводит, как показано в настоящей работе, к заметным-: искажениям в описании Кинетики. Кроме того, эти уравне-": ния не могут считаться микроскопическими, поскольку они. основаны на феноменологических соотношениях Онсагера и; включают феноменологические кинетические коэффициенты,.: зависимость которых от локальной концентрации, темпера-
туры и других параметров не ясна.
С другой стороны, успешное развитие количественных методов микроскопического описания термодинамики сплавов дает основание для развития аналогичных микроскопических подходов также и в кинетике.. При этом, можно исходить из фундаментального кинетического уравнения ("master equation"), описывающего временную эволюцию функции распределения атомов в сплаве. Применение к этому уравнению регулярных методов статистической физики, в частности, приближения среднего поля, позволяет выписать явное уравнение для эволюции локальных концентраций при произвольной степени неравновесности сплава. Применение такого микроскопического уравнения для исследования кинетики фазовых превращений открывает возможность для широких и детальных исследований как качественных особенностей, так и количественных характеристик различных кинетических процессов.
Таким образом, развитие теории, основанной на использовании фундаментального кинетического уравнения, может стать важным шагом на пути развития последовательно микроскопического описания кинетики фазовых превращений в сплавах.
Целью работы является развитие последовательных методов описания эволюции существенно неравновесных состояний сплавов и применение, этих методов к исследованиям кинетических явлений при фазовых превращениях, в частности, .спи-нодального распада как в неупорядоченных, так и в упорядочивающихся сплавах.
Научная новизна и практическая ценность. В диссертации предложен новый подход к описанию эволюции существенно неравновесных состояний сплавов, основанный.на использовании фундаментального кинетического уравнения
("master equation") для вероятностей различных распределений атомов в сплаве. Применение к этому уравнению приближения среднего поля позволило выписать явные кинетические уравнения для эволюции локальных концентраций при произвольной степени неравновесности. В отличие от используемых в настоящее время непоследовательных подходов к кинетике неравновесных сплавов, основанных на полуфеноменологических кинетических уравнениях типа Онсагера, полученное в диссертации уравнение учитывает зависимость микроскопических кинетических коэффициентов от локальных концентраций. Это существенно уточняет описание временной эволюции неравновесных сплавов. Развита методика применения этого уравнения для количественных исследований эволюции микроструктуры при фазовых превращениях в упорядочивающихся и неупорядоченных сплавах, которая допускает непосредственное сравнение с экспериментальными данными.
Применение полученного уравнения позволило обнаружить или объяснить ряд новых кинетических эффектов, среди которых можно отметить:
новый, " мостиковый" механизм слияния выделений новой фазы (преципитатов) при спинодальном распаде;
влияние асимметричного конфигурационного потенциала на кинетику спинодального распада;
эффект своеобразных изменений локальной концентрации вблизи движущейся антифазной границы в упорядочивающемся сплаве, и резкое влияние этих изменений на подвижность этой антифазной границы;
явление "репликации антифазных границ" при спинодальном распаде с упорядочением: образование своеобразных квазипериодических распределений концентрации, повторяющих форму исходной антифазной границы.
Дальнейшие применения полученного кинетического уравнения теории среднего поля (в частности, учет вакансионного механизма для обмена атомов, учет упругих сил и т. д.), а также переход к следующим, более точным приближениям кластерного типа, может стать основой для развития полностью микроскопического количественного подхода к исследованиям самых разных проблем конфигурационной кинетики неравновесных сплавов.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Из фундаментального кинетического уравнения ("master
: equation") в рамках модели "прямых прыжков" для спла
вов выведено микроскопическое кинетическое уравнение
в приближении среднего поля. Исследованы основные
свойства этого уравнения и даны его варианты для не
упорядоченных и упорядоченных сплавов. Уравнение по
зволяет описывать кинетику фазовых превращений при
произвольной степени неравновесности сплавов.
-
Полученное уравнение применено для изучения фазовых превращений в ряде систем: спинодального распада в неупорядоченных и упорядочивающихся сплавах; распада с расслоением в упорядочивающихся сплавах; образования и роста антифазных доменов при упорядочении; распада неупорядоченных сплавов с образованием промежуточных упорядоченных состояний, и др. Результаты показывают хорошее качественное согласие с имеющимися экспериментальными данными, а также с результатами предыдущих теоретических исследований.
-
Впервые проведен последовательный микроскопический линейный анализ спинодальной неустойчивости как в неупорядоченных, так ив упорядочивающихся сплавах, и
получены аналитические выражения для основных кинетических характеристик. Этот анализ дополняет феноменологические результаты Кана и обобщает их на случай систем с упорядочением. Показано, что квазипериодическая волнообразная структура распределения концентрации, впервые обсуждавшаяся Каном, действительно возникает на начальной (линейной) стадии спино-дального распада и сохраняется далее в нелинейной области вплоть до начала стадии образования преципитатов.
-
Обнаружена и исследована не обсуждавшаяся ранее промежуточная стадия коалесценции преципитатов при спи-нодальном распаде. В широком интервале значений кон-, центрации и температуры эта стадия является четко выраженной и отделяет начальную стадию образования преципитатов от конечной стадии их испарения и конденсации. Указан новый, " мостиковый" механизм коалесценции преципитатов посредством образования диффузионного "мостика" между ними и исследованы его особенно* сти; полученные при этом выводы согласуются с недавними экспериментальными наблюдениями. Продемонстрировано существенное влияние асимметричного потенциала (связанного с отличием взаимодействия .между разными сортами атомов в сплаве) на характер и механизмы эволюции спинодального распада. Этот потенциал всегда присутствует в реальных сплавах, но ранее в исследованиях кинетики, как правило, не учитывался.
-
Обнаружено, что сильное взаимодействие между локальными значениями параметра порядка и концентрации в нестехиометрических сплавах приводит к своеобразной эволюции структуры антифазной границы при ее движении, а также к резким и необычным зависимостям подвижности антифазной границы от времени, концентра-
ции и температуры.
-
Детально исследованы промежуточные морфологии при фазовых превращениях с упорядочением. Показано, что в начальном состоянии при отсутствии антифазных границ, спинодальный распад происходит аналогично случаю неупорядоченных сплавов. Однако, наличие антифазных границ существенно меняет промежуточные морфологии, приводя к ряду особенностей. Показано также, что в области метастабильности упорядоченных состояний (между условной спинодалью и бинпаалью), в которой распад идет посредством нуклеационного образования и роста зародышей, антифазные границы могут становиться центрами образования новой неупорядоченной фазы.
-
При изучении спинодального распада с упорядочением обнаружено новое кинетическое явление "репликации антифазных границ", заключающееся в образовании на промежуточных стадиях такого распада квазипериодических волн концентрации, реплицирующих (повторяющих) форму начальной антифазной границы. Дано его физическое объяснение и сформулированы условия, при которых возможно экспериментальное наблюдение этого явления. Указано, что ряд имеющихся в настоящее время экспериментальных данных подтверждает наличие данного явления. ,
-
Получены аналитические выражения для распределений локального параметра порядка и локальной концентрации вблизи плоской, стационарной антифазной границы в области значений температуры и концентрации, соответствующих окрестности спинодали упорядочения.
Апробация работы. Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на международной конференции NATO Advanced Study Institute "Stability of Materials" (Корфу, Греция, июнь-июль 1995), на Всероссийском семинаре "Структурно-морфологические основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий" (Обнинск, июнь 1995), на рабочих семинарах в Сакле (Франция) и в Институте Низких Температур (Вроцлав, Польша, 1995), а также на семинарах и ежегодных конференциях ИОЯФ РНЦ "КИ".
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 3 работы и 2 приняты к публикации.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, приложения и заключения. Она содержит 29 рисунков, 1 таблицу, списка цитируемой литературы из 45 наименований. Полный объем диссертации 95 страницы.
