Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Кинетика фазовых превращений в сплавах привлекает большое внимание как в связи с обвдцми 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 спннодального 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 щлтей фазовых превращений важно для опцрания микроструктуры материалов и тем самым — для предсказания их физических свойств.
Теоретически эти проблемы изучались методами прямого моделирования Монте-Карло (см., например, [1]), с помощью полуфеноменологнческнх кинетических уравнений онсагеров-ского типа, предложенных Хачатуряном и др. [2], а также с использованием последовательного микроскопического подхода на основе фундаментального кинетического уравнения для распределения вероятностей различных состояний сплава, развитого в работах Мартена. Вакса и др. [3-5]. В отличие от полуфеноменологнческнх уравнений Хачатуряна и др., ясная область применимости которых ограничена слабо неравновесными состояниями, последний подход применим для последовательного описания кинетики сплавов также и вдали от равновесия, и при этом может использоваться весь арсенал хорошо развитых методов статистической физики, таких как приближение среднего поля, методы кластерных разложений и т.п. Применение данного подхода позволило исследовать ряд важных проблем физики фазовых превращений в сплавах, включая теорию спннодального распада [4], кинетику движения и эволюции антифазных границ [6], особенности мнкроструктурной эволюции в случае, когда упорядочение сопровождается распа-
дом сплава [7], теорию нуклеацип [8] и другие проблемы. При этом использовалась обычная упрощенная модель прямого обмена атомов, т.е. считалось, что изменение распределения атомов по узлам решетки, например, в бинарном сплаве AcBi_c осуществляется путем прямого обмена положениями соседних атомов А и В, а кинетика фазовых превращении с упорядочением рассматривалась на примере простейшего упорядочения по типу В2.
В то же время в реальных сплавах диффузия осуществляется по вакансионному механизму, влияние которого на кинетику изучалось в ряде теоретических работ, в основном путем монте-карловских моделирований; однако результаты этих работ носят частный характер и не позволяют сделать какие-либо общие выводы о роли ваканснонного механизма кинетики. Кроме того, в большинстве сплавов, важных для практического применения, реализуются более сложные типы упорядочения, такие как БОз в сплавах с ОЦК решеткой или Ыг п Llo в ГЦК решетке, и наблюдаются специфические особенности эволюции, не свойственные сплавам с простейшими типами упорядочения (см., например, обзор [9]).
Таким образом, дальнейшее развитие теории, основанной на использовании микроскопического кинетического уравнения, для выяснения роли ваканснонного механизма диффузии в кинетике сплавов, а также для изучения особенностей эволюции при фазовых превращениях в сплавах со сложными типами упорядочения может стать важным шагом в понимании кинетических процессов в реальных сплавах.
Целью работы является дальнейшее развитие последовательных методов описания эволюции существенно неравновесных состояний сплавов и применение этих методов к исследованию кинетики фазовых превращений как в неупорядоченных, так и в упорядочивающихся сплавах, в том числе с учетом ваканснонного механизма диффузии.
Научная новизна и практическая ценность. В представленной диссертации получены следующие новые результаты:
последовательный микроскопический подход к описанию эволюции существенно неравновесных состояний сплавов, предложенный ранее в работах Мартена, Вакса п др., обобщен на случай многокомпонентного сплава с ва-кансионным механизмом диффузии;
исследована равновесная сегрегация вакансий или примесей на когерентных межфазных и антпфазных границах в сплавах;
показано, что задача об эволюции распределения основных компонентов сплава с ваканснонным механизмом диффузии, как правило, может быть сведена к эквнва-
лентноп модели с прямым обменом атомов и определенной перенормировкой временной шкалы;
изучен характер указанной перенормировки временной шкалы для случаев фазового распада и з'порядочення; показано, что нарушение эквивалентности моделей с прямым и ваканснонным механизмом диффузии может происходить лишь на самой ранней стадии фазового превращения упорядочения (например, после закалки сплава);
обнаружен своеобразный эффект локализованного упорядочения после закалки неупорядоченного сплава в область упорядоченной фазы, наблюдавшийся ранее в экспериментах и монте-карловских моделированиях; этот эффект объяснен влиянием флуктуатнвного характера
распределения вакансий в момент закалки;
і -'
впервые обнаружен и исследован эффект репликации
межфазных границ после достаточно глубокой двухсту
пенчатой закалки сплава в область спннодалыюй не
устойчивости;
подробно исследованы особенности кинетики в ходе различных фазовых превращений в упорядочивающихся сплавах с несколькими Неэквивалентными типами антифазных доменов на примере DO3 упорядочения, в том числе с учетом упругого взаимодействия; обнаружен п объяснен ряд специфических эффектов, наблюдавшихся экспериментально в реальных сплавах с упорядочениями такого "многоварпантного" типа;
исследована микроскопическая структура антифазных границ различного типа в упорядоченной фазе ЬОз-
Указанный в диссертации метод сведения задачи о конфигурационной кинетике сплавов при реалистичном ваканснон-ном механизме диффузии к эквивалентной модели с прямым обменом атомов подводит итог широко обсуждавшемуся вопросу о возможном влиянии ваканспонного механизма обмена атомов на эволюцию микроструктуры сплавов и позволяет резко упростить теоретические исследования фазовых превращений в сплавах за счет перехода к эквивалентной модели прямого обмена.
В работе обнаружен п объяснен ряд специфических эффектов, наблюдавшихся экспериментально в реальных сплавах.
Экспериментальное исследование эффекта репликации межфазных границ, обнаруженного в диссертационной работе, может позволить впервые наблюдать и исследовать критические концентрационные волны, существование которых было предсказано Каном в 1961 году.
Эсновные положения, выносимые на защиту.
-
Исследовано равновесное распределение вакансий в области когерентной межфазной пли антифазной границы в бинарном сплаве. В приближениях среднего поля и парных кластеров получены явные формулы, выражающие концентрационный профиль вакансий через распределение основных компонентов сплава вблизи границы. Изучено влияние температуры и энергетических параметров на степень сегрегации вакансий на межфазных и антп-фазных границах.
-
Показано, что временная эволюция распределения локальных концентраций основных компонентов сплава с вакансионным механизмом диффузии обычно может описываться с помощью эквивалентной модели с прямым обменом атомов и некоторой эффективной перенормировкой временной шкалы. Физически эта эквивалентность связана с тем, что диффузия вакансий происходит намного быстрее диффузии основных компонентов сплава.
-
Указанная эквивалентность моделей с прямым и вакансп-ониым обменом атомов может нарушаться только сразу после резких изменений внешних параметров, таких как быстрая закалка сплава в область неустойчивости по отношению к фазовому переходу. Показано, что для случая спшюдалыюго распада восстановление эквивалентности моделей после закалки сплава происходит значительно быстрее времени существенного изменения его микроструктуры. В случае же закалки сплава в область упорядоченной фазы на ранней стадии фазового превращения может возникать своеобразный эффект локализованного упорядочения, наблюдавшийся ранее в экспериментах и монте-карловскпх моделированиях. Объяснена природа этого эффекта, который связан со случайным характером распределения вакансий в момент закалки.
-
Обнаружен и исследован новый эффект репликации межфазных границ после достаточно глубокой двухступенчатой закалки сплава в область спннодальной неустойчивости, который может дать возможность непосредственного экспериментального наблюдения кановскпх критических концентрационных волн.
-
Изучены особенности кинетики в сплавах с многовариантным упорядочением на примере моделей сплавов Fe-Al и Fe-Si с БОз упорядочением. Описана структура антн-фазных границ различных типов в БОз фазе. Детально исследована эволюция микроструктуры при следующих фазовых переходах: А2—кООз; А2—>А2+Б0з, в том числе с учетом упругого взаимодействия, А2—>В2+Б0з и D03->B2+D03.
Апробация работы. Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на Первой международной конференции по сплавам (First International Alloy Conference — Афины, июнь 1996 г.), а также на ежегодных конференциях ИСФТТ РНЦ "Курчатовский институт*' в 1996, 1997 и 1998 гг.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 4 печатных работы.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, содержит 28 рисунков и список цитируемой литературы из 67 наименований. Полный объем диссертации — 100 страниц.
