Деформационный фазовый переход порядок-беспорядок и роль антифазных границ в нем

Деформационный фазовый переход порядок-беспорядок и роль антифазных границ в нем

С.В. Старенченко, В.А. Старенченко, И.П. Замятина, О.Д. Пантюхова

Томский государственный архитектурно-строительный университет, Томск, 634003, Россия

В работе представлены экспериментальные результаты по влиянию пластической деформации на дальний порядок упорядоченных сплавов со сверхструктурами L12(M), L12(MM). Выяснена роль антифазных границ в деформационном фазовом переходе порядок-беспорядок. Сопоставлены результаты математического моделирования деформационного нарушения дальнего порядка с данными эксперимента.

Deformation-induced phase transition order-disorder and role of antiphase boundaries

S.V Starenchenko, V.A. Starenchenko, I.P. Zamyatina, and O.D. Pantyukhova

This work shows experimental results of the effect of plastic deformation on long-range ordering in alloys with the LI2, L^(M), L12(MM) superstructures. It is pointed to a substantial role of antiphase boundaries in deformation-induced phase transition order-disorder. The modeling results of deformation disturbance of the long-range order and experimental findings are compared.

1. Введение

Фазовые переходы являются предметом активного изучения в физике твердого тела. Среди фазовых превращений привлекает внимание явление атомного упорядочения. В основном представления об упорядоченных состояниях и фазовых переходах порядок-беспорядок связаны с температурным воздействием. Другие факторы могут также изменять состояния сплавов. С момента открытия явления атомного упорядочения неоднократно отмечали влияние пластической деформации на состояние упорядоченных сплавов [1]. Это воздействие носит двойственный характер. Во-первых, пластическая деформация приводит к нарушению атомного порядка в материале. Во-вторых, процессы, происходящие при деформировании материала, способствуют появлению дефектов разного типа, стимулирующих восстановление дальнего порядка. В разное время появлялись работы, указывающие на эти возможности [2-4], однако систематического изучения деформационно-стимулированного фазового перехода порядок-беспорядок, не проводилось. В связи с этим в работе ставилась задача исследования влияния пластической деформации на дальний атомный порядок и выяснения механизмов его разрушения.

2. Материал и методика эксперимента

Сплавы Аи3Си, Си3Р^ №^е, №3А1, №^е, CUзPd, Аи^п получены индукционным сплавлением в атмос-

фере аргона. Гомогенизация проводилась высокотемпературным отжигом в течение 24 ч в атмосфере аргона. Образцы толщиной от 0.08 до 0.22 мм вырезались из слитка на электроискровом станке или получены прокаткой. Исходные упорядоченные состояния для исследования создавали ступенчатыми отжигами в течение длительных промежутков времени при постепенно понижающихся температурах в интервале от температуры Курнакова до 100 ° С.

Деформацию образцов проводили холодной прокаткой до разных степеней деформации е. Дифракционная картина фиксировалась при комнатной температуре на дифрактометрах ДРОН-1.5 и ДРОН-3 с использованием FeKa, СиК излучений, монохроматизированных на первичном пучке пиролитическим графитом. Параметр дальнего порядка в сплаве п определяли по отношению интегральных интенсивностей сверхструктурных линий 1СС к интенсивностям основных линий 1осн с учетом структурных факторов F, фактора повторяемости Р, углового множителя Ф, кроме теплового множителя [5]:

п2 = I СС(РФР 2)осн

Iосн(PФF2)сс '

Для исключения влияния текстуры при оценке параметра дальнего порядка использовали отношение интенсивностей линий, которые относятся к одному семейству плоскостей. Микронапряжения, размеры областей когерентного рассеяния рассчитывали по методике,

© Cгаpeнчeнкo C.B., C^pe^e^o B.A., Замятина И.П., Пaнтюxoвa O-Д., 2004

Таблица 1

Характеристики фазового перехода порядок-беспорядок сплавов, подвергавшихся пластической деформации

№ Сплав Сверх- структура Тк,°С П тах (р), нм

1 Аи3Си поликристалл L12 208 0.95-1.0 0.6 15-20

2 Си-22 %Р1 поликристалл L12 685 0.8 0.6 80-130

3 М^е монокристалл L12 535 1.0 0.44 13

4 М3А1 поликристалл L12 1.0 >> 100

5 Аи42п поликристалл L12 (ММ) 305 1.0 0.5 60-80

6 Си^ поликристалл L12 (М) 468 0.8 0.54 50-150

изложенной в работе [6], при этом физическая ширина основных рефлексов анализировалась методом аппроксимаций. Средние размеры доменов определяли по ширине сверхструктурных линий. В качестве эталона принята ширина рефлекса (111) недеформированного сплава.

3. Результаты эксперимента

Исследуемые сплавы обладают сверхструктурами L12, а также L12(M), L12(MM), отличающимися от L12 присутствием периодических антифазных границ. Они имеют разные температуры Курнакова и соответственно разные энергии упорядочения, различаются величиной параметра дальнего порядка в температуре Курнакова. В исходном состоянии сплавы имеют разные величины параметра дальнего порядка и средние размеры антифазных доменов (табл. 1).

Дефекты разного масштабного уровня — точечные, линейные, а также планарные, возникающие в процессе деформации, изменяют состояние деформируемого упорядоченного материала. Увеличиваются внутренние напряжения и микроискажения кристаллической решетки (рис. 1). Появление дислокационных стенок, скоплений

дислокаций, новых антифазных границ приводит к измельчению как блочной структуры, так и доменной (рис. 2, а). Это приводит к увеличению плотности границ антифазных доменов и кристаллитов. Одновременно с этим за счет вакансий и межузельных атомов, а также за счет увеличения плотности таких дефектов, как антифазные границы, дислокации разного типа, трубки антифазных границ, дислокационные стенки, происходит понижение степени упорядоченности сплавов вплоть до полного разрушения дальнего атомного порядка (рис. 2, б).

Степень разупорядоченности сплава зависит от его энергии упорядочения и определяется величиной деформации. Поведение п(£) зависит от исходного состояния сплава (монокристалличность, присутствие периодических антифазных границ, энергия упорядочения). Полученные результаты показывают, что в деформированных сплавах упорядоченное состояние более устойчиво относительно деформационного воздействия при высокой энергии упорядочения (№3А1), а при малых деформациях в присутствии периодических антифазных границ (Cu3Pd, Аи42п) и в монокристаллах (№^е). Исходная плотность антифазных границ не оказывает заметного влияния на интенсивность падения параметра дальнего порядка (Аи3Си и Си3Р^. Локализованный характер пластической деформации приводит к гетерогенному фазовому переходу порядок-беспорядок. Наряду с упорядоченной фазой в локальных местах уже при малых деформациях появляется разупорядоченная фаза, ее количество увеличивается при деформации. Сопоставление величины параметра дальнего порядка с плотностью антифазных границ указывает на существенный вклад антифазных границ в понижение степени порядка материала (рис. 3, а). Возникшие в процессе деформации антифазные границы вызывают уменьшение параметра дальнего порядка, о чем свидетельствует единая для всех исследованных нами сплавов зависимость п от плотности деформационных антифазных границ (рис. 3, б). Связь между увеличением доли раз-упорядоченной фазы при деформации и плотностью

Дс1/сИ03

. Аи3Си Си3Рї А. ІМІ3АІ ІЧІ3Ре Си3Рс1 Аи4гп

¥_о— 2 -ч- ? р ' ' Ґ ' ' / '

0 0.5 0 0.5 0 0.5 0 0.5 0 0.5 0 0.5 8

Рис. 1. Зависимость микроискажений кристаллической решетки в упорядоченных сплавах от степени деформации: 1 — микроискажения в направлении ^111^; 2 — микроискажения в направлении ^100^; 3 — микроискажения средние по всем направлениям

Рис. 2. Зависимость среднего размера антифазного домена (АФД) от степени деформации (а); зависимость эффективного параметра дальнего порядка от деформации (б): 1 — Аи3Си; 2 — Си3Р1;; 3 — №3А1; 4 — №^е; 5 — Си^

Рис. 3. Зависимость эффективного параметра дальнего порядка от плотности антифазных границ D

деформационных антифазных границ указывает на то, что деформационные антифазные границы являются областями локализации разупорядоченной фазы. Наблюдаемое интенсивное понижение степени порядка сплава свидетельствует о большей степени дефектности деформационных границ, по сравнению с термическими, о большей степени их несовершенства.

Деформационный переход порядок-беспорядок является гетерогенным и сопровождается увеличением плотности антифазных границ. Он является размытым, начиная с первых этапов деформирования. Важную роль в понижении степени дальнего порядка в сплавах при пластической деформации играют механизмы, приводящие к интенсивному накоплению деформационных

Сплавы с высокой энергией антифазных границ

Сплавы с низкой энергией антифазных границ 8, %

8, %

Рис. 4. Зависимости параметра дальнего порядка от степени деформации для сплавов с высокой и низкой энергией антифазных границ, рассчитанные при различных температурах: а — расчет в рамках модели (1); б, в — расчет в рамках модели (2) без учета и с учетом процесса упорядочения соответственно; Э1, ЭН — экспериментальные данные для Ni3Al и Ni3Fe соответственно

Рис. 5. Зависимости параметра дальнего порядка от степени деформации для сплавов с высокой (а) и низкой (б) энергией антифазных границ: T = 293 K; Э1, Э11 — экспериментальные данные для Ni3Al и Ni3Fe соответственно; Гь 7^ — расчетные кривые

антифазных границ, а сами антифазные границы обладают повышенной дефектностью.

4. Результаты моделирования и выводы

В [7] нами сформулирована математическая модель разрушения дальнего порядка и деформационного упрочнения, в ней учтены следующие механизмы разрушения дальнего порядка: накопление антифазных границ вследствие их пересечения дислокациями, трубок антифазных границ и сверхструктурных дислокаций, движение одиночных и переползание краевых дислокаций, генерация точечных дефектов и возникновение дислокационных стенок. В данной работе рассмотрены варианты, учитывающие: 1) смену типа сдвигообразующих дислокаций от сверхструктурных к одиночным при критических значениях деформации; 2) гетерогенный фазовый переход порядок-беспорядок, при котором появление разупорядоченной фазы происходит с первых этапов деформации; 3) гетерогенный фазовый переход порядок-беспорядок, который сопровождается термическим восстановлением дальнего порядка при деформации. Результаты расчетов в рамках предложенной модели в трех ее вариантах показывают (рис. 4), что деформационное разрушение дальнего порядка не может

Рис. б. Зависимости среднего размера антифазных доменов (АФД) от степени деформации для сплавов с высокой (a) и низкой (б) энергией антифазных границ: T = 29З K; Э1, Э11 — экспериментальные данные для №ЗА! и N^Fe соответственно; T1, T2 — расчетные кривые

быть связано с проявлением одного из механизмов разрушения дальнего порядка, но является результатом совместного действия рассмотренных механизмов, связанных с размножением антифазных границ, точечных дефектов и дислокаций. Анализ результатов моделирования показывает, что наиболее эффективными механизмами понижения параметра дальнего порядка являются те, при которых происходит интенсивное накопление антифазных границ, а именно, накопление трубок антифазных границ и движение. Тем не менее, в отсутствие других механизмов генерации антифазных границ движение одиночных дислокаций не может быть реализовано.

Сопоставление расчетных и экспериментальных кривых п(е) (рис. 5) и d(e) (рис. 6) показывает, что модель гетерогенного перехода порядок-беспорядок правильно описывает процессы в деформируемых сплавах со сверхструктурой L12. Хорошее совпадение наблюдается для умеренных деформаций. Механизмы аккумуляции антифазных границ, связанные с движением при пластической деформации дислокаций, приводят к понижению параметра дальнего порядка. При средних и больших деформациях возникает более заметное расхождение между результатами моделирования и эксперимента. Чтобы обеспечить соответствующее понижение параметра дальнего порядка, требуется более значительное измельчение антифазных доменов, нежели это наблюдается в эксперименте, или большее размытие антифазных границ. Подобное поведение деформируемого сплава свидетельствует о том, что наряду с механическими факторами разупорядочения материала, имеются и термодинамические, обусловливающие неустойчивость структуры дальнего порядка вблизи деформационных антифазных границ. При глубоких деформациях, когда сплав уже разупорядочен, существует баланс между механическим измельчением и термодинамическим восстановлением микродоменов ближнего порядка.

Моделирование деформационного фазового перехода порядок-беспорядок хорошо описывает схему изменения параметра дальнего порядка в упорядоченных сплавах при пластической деформации, предложенную на основании экспериментальных данных в [8]. Поскольку деформация протекает неоднородно, в образце возникают локальные области, для которых характерны высокие напряжения и сдвиги. В них, вследствие высокой концентрации деформационных дефектов, происходит понижение параметра дальнего порядка до критического значения, а затем резкое падение, и далее слабое его изменение с деформацией. В рамках модели деформационного разрушения дальнего порядка, учитывающей смену типа сдвигообразующих дислокаций от сверхструктурных к одиночным, получено, что до опре-

деленных степеней деформации (когда она осуществляется сверхдислокациями) наблюдается слабое изменение параметра дальнего порядка; при деформации, когда носителем сдвига оказываются одиночные дислокации — резкое его падение до низких значений. В целом по образцу наблюдается постепенное понижение состояния дальнего порядка, связанное с увеличением объемной доли упорядоченной фазы.

Целенаправленно исследованное разрушение дальнего порядка при пластической деформации упорядоченных сплавов, имеющих разные исходные состояния и природу, а именно: монокристалличность и поликристалличность, энергию упорядочения, размер антифаз-ных доменов и начальную степень дальнего порядка, позволило не только выявить основные черты деформационно-индуцированного фазового перехода порядок-беспорядок, указать на его многофакторность, на важную роль образующихся при деформации линейных (дислокации) и планарных (антифазные границы) дефектов, но и дало возможность на количественном уровне оценить механизмы нарушения дальнего порядка при пластической деформации. Сформулирована реалистичная модель, учитывающая дефекты, возникающие в процессе деформации: дислокации, границы областей когерентного рассеяния и антифазных доменов, точечные дефекты и дислокационные стенки, достаточно хорошо описывающая экспериментальные результаты. Она показывает, что наиболее существенными механизмами разрушения дальнего порядка могут быть генерация трубок антифазных границ и движение одиночных дислокаций в областях с высокой плотностью деформационных дефектов.

Литература

1. Кривоглаз М.А., Смирнов А.А. Теория упорядочивающихся сплавов. - М.: Физматгиз, 1958. - 388 с.

2. Dehlinger U., Graft L. Uber umwandungen von festen metallphasen. I. Die tetragonale gold-kupferlegierung AuCu // Zeitschr. fur Physik. -1930. - Bd. 64. - P. 359-377.

3. Jaumot F.E., Sawatzky A. Order-disorder and cold-work phenomena in Cu-Pd alloys // Acta Met. - 1956. - V. 4. - No. 2. - P. 127-144.

4. Bakker H., Zhou G.F., YangH. Mechanically driven disorder and phase

transformations in alloys // Progress in Materials Science. - V. 39. -1995. - P. 160-238.

5. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. - М.: Металлургия, 1970. -368 с.

6. Тейлор А. Рентгеновская металлография. - М.: Металлургия, 1965. -663 с.

7. Старенченко В.А., Пантюхова О.Д, Старенченко С.В. Моделирование процесса деформационного разрушения дальнего порядка в сплавах со сверхструктурой L12 // ФТТ. - 2002. - Т. 44. - Вып. 5. -С. 950.

8. Старенченко С.В., Замятина И.П., Старенченко В.А., Козлов Э.В. Фазовый переход порядок-беспорядок в сплаве СuзРd, индуцированный пластической деформацией // Изв. вузов. Физика. - 2000. -№ 8. - С. 3-9.