Автореферат (Мессбауэровские исследования процессов диффузии и фазообразования в слоистых системах Fe-Be, Fe-Ak и Fe-Al-Be)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиУДК 539.292:539.172.3:539.2Плаксин Денис АлександровичМЕССБАУЭРОВСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВДИФФУЗИИ И ФАЗООБРАЗОВАНИЯ В СЛОИСТЫХ СИСТЕМАХFe-Be, Fe-Al и Fe-Al-BeСпециальность 01.04.07 – физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 2005-2Работа выполнена на кафедре общей физики физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В. ЛомоносоваНаучный руководительдоктор физико-математических наук,профессор В.С.

РусаковОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,ведущий научный сотрудник В.М. Черепановкандидат физико-математических наук,доцент С.Д. АнтиповВедущая организацияМосковский государственный институтрадиотехники, электроники и автоматики(МИРЭА), г. Москвачасов на заседанииЗащита состоится “ 16 ” июня 2005 года вДиссертационного совета К 501.001.02 в Московском государственномуниверситете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, г.

Москва,.Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудиторияС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М. В. Ломоносова.Автореферат разослан “” мая 2005 года.Ученый секретарьДиссертационного совета К 501.001.02,кандидат физико-математических наукИ.А. Никанорова-3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.Для направленной модификации приповерхностных слоев металлическихматериалов с целью улучшения их поверхностных свойств широко применяютсяметоды ионно-плазменного нанесения покрытий.

При магнетронном осаждениииспользуется последующая термическая обработка материала, приводящая кулучшению адгезии покрытия с подложкой, образованию и гомогенизации фаз вдиффузионной зоне. Исходное неравновесное пространственное распределениеатомных компонентов и последующий термический отжиг приводят кпространственной направленности процесса фазообразования и созданиюслоистой системы. Для практического применения таких систем необходимосоздать термически стабильное неоднородное распределение фаз по глубинеобразца. Разработка методов получения пространственно неоднородногораспределения фаз, стабильного к воздействию температуры, представляетсобой важную задачу. В связи с этим необходимо иметь правильноепредставление об особенностях термически индуцированных процессов,происходящих в слоистой системе.Для исследования процессов диффузии и фазообразования в слоистыхсистемах, полученных методом магнетронного осаждения, представляютинтерес бинарные системы железо-бериллий и железо-алюминий.

Железоявляется основным компонентом конструкционных материалов. Уникальныеядерные характеристики, радиационная и коррозийная стойкость, высокиетемпература плавления и теплопроводность обусловили широкое применениебериллия в атомной и ракетной технике. Механические свойства (прочность,пластичность, ковкость), высокие электро- и теплопроводность алюминияобусловилиегоширокоеприменениеваэрокосмическойтехникеиавтомобилестроении. Для бинарной системы железо-бериллий характернобольшое разнообразие структурных и магнитных превращений.

Бинарнаясистема железо-алюминий обладает комплексом ценных физико-химическихсвойств:высокойтеплопроводностью,твердостью,жаропрочностьюиокалиностойкостью. В то же время направленность, кинетика и механизмпроцессов диффузии и фазовых преобразований, а также локальная структура-4продуктов превращений при термической обработке слоистых систем Fe-Be иFe-Al имеют ряд особенностей и до сих пор не достаточно изучены.Использование тонких фольг в качестве образцов при исследованиитермически индуцированных процессов диффузии и фазообразования имеет посравнению с массивными образцами ряд преимуществ:1) на порядки величин меньшие времена релаксации неравновесныхпроцессов;2) возможность комплексного использования неразрушающих методовисследования – мёссбауэровской спектроскопии, рентгенофазового анализа ирезерфордовского обратного рассеяния нейтронов и др.;3) возможность определения концентрации примеси и относительногосодержания образующихся фаз на поверхности и в объеме образца.С технологической точки зрения использование магнетронного осажденияпозволяет создавать контролируемые по толщине покрытия.Использование в качестве подложки железа позволяет в полной мереприменять уникальные методические возможности методов мессбауэровскойспектроскопии.

Комбинируя два метода мессбауэровской спектроскопии регистрацию γ-квантов в геометрии на прохождение и регистрацию электроновконверсии в геометрии обратного рассеяния, можно получить качественную иколичественную информацию о происходящих фазовых и структурныхпревращениях в приповерхностных слоях и объеме образца.Цель работы.Цельюнастоящейработыявлялосьисследованиетермическихиндуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых системахжелезо-бериллий, железо-алюминий и железо-алюминий-бериллий методамимессбауэровской спектроскопии с привлечением рентгенофазового анализа и ихтеоретическое описание.Основные положения, выносимые на защиту.Результаты исследования термически индуцированных процессов вслоистых системах Fe-Be, Fe-Al и Fe-Al-Be: последовательность и характерныевремена фазовых преобразований в приповерхностных слоях и объеме-5исследованных систем; обнаружение термической стабильности фаз в бинарнойслоистой системе Fe-Be.Коррелированные изменения дисперсии функции распределения исреднего значения эффективного магнитного поля на ядрах57Fe в растворах α-Fe(Be) и α-Fe(Al) от времени термического отжига.Метод определения концентрации атомов примеси замещения в раствореα-Fe по параметрам функции распределения эффективного магнитного поля наядрах 57Fe.Физическаятермическуюмодель,описывающаястабилизациюдиффузию,пространственнофазообразованиенеоднородногоиструктурно-фазового состояния бинарной слоистой металлической системы.Программнаяреализацияфизическоймодели,позволяющаяколичественно описывать кинетику термически индуцированных процессов влюбой области слоистой системы при произвольных режимах отжига.Научная новизна.Научнаяисследованияминовизнаработыметодамиопределяетсямессбауэровскойвпервыепроведеннымиспектроскопиитермическииндуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых системахFe-Be, Fe-Al и Fe-Al-Be и разработкой физической модели для количественногоописания этих процессов, что позволило получить ряд важных результатов.1.

Установленапоследовательностьфазовыхпреобразованийвприповерхностных слоях и объеме исследованных систем.2. Обнаружена термическая стабильность фаз в бинарной слоистойсистеме Fe-Be.3. Определены характерные времена фазовых превращений и термическойстабилизации в исследуемых системах.4. Показано, что направленность фазовых преобразований определяетсяизменением локальной концентрации компонентов в процессе их взаимнойдиффузии в исследуемых системах и соответствует особенностям фазовыхдиаграмм равновесных состояний бинарных систем Fe-Be и Fe-Al.5. Предложен метод определения концентрации атомов примеси врастворе α-Fe по параметрам функции распределения эффективного магнитного-6поля на ядрах 57Fe, с помощью которого определена концентрация примеси как вприповерхностных слоях, так и в объеме исследованных образцов.6.

Предложенафизическаямодель,описывающаядиффузию,фазообразование и термическую стабилизацию пространственно неоднородногоструктурно-фазового состояния бинарной слоистой металлической системы.Научная и практическая значимость.Данныеотермическииндуцированныхпроцессахдиффузииифазообразования в исследованных слоистых системах Fe-Be, Fe-Al и Fe-Al-Be,полученных с помощью магнетронного распыления, могут быть использованыпри разработке методов направленной модификации приповерхностных слоевметаллических материалов с целью улучшения их поверхностных свойств.Предложенный метод определения концентрации атомов примеси врастворе α-Fe по параметрам функции распределения эффективного магнитногополя на ядрах57Fe может быть использован при исследовании произвольныхрастворов внедрения на основе α-железа.Предложенная физическая модель и созданная на ее основе компьютернаяпрограмма позволяют моделировать процессы диффузии, фазообразования итермической стабилизации в бинарных металлических слоистых системах припроизвольном температурно–временном режиме термической обработки.Личный вклад диссертанта.Мессбауэровскиеисследованияпроведеныавторомсовместноссотрудниками Института ядерной физики Национального ядерного центрареспублики Казахстан.

Автору принадлежит основная роль в обработке ианализеполученныхэкспериментальныхданных.Авторпринялнепосредственное участие в разработке физической модели и создании на ееоснове программы для проведения расчетов.Апробация работы.Результаты диссертационной работы докладывались на 6 Международныхконференциях:Международных конференциях «International conference on the applicationsof the Mössbauer effect» (UK, Oxford - ICAME'2001; Sultanate of Oman, Muscat --7ICAME'2003), Международных конференциях «Мессбауэровская спектроскопияи ее применения» (Россия, Санкт-Петербург 2002; Russia, Ekaterinburg 2004), 8ой Международной конференции «Физика твердого тела» (Kazakhstan, Almaty2004), 3-ей Евразийской конференции «Ядерные исследования и их применение»(Uzbekistan, Tashkent 2004).Публикации.Материалы диссертации опубликованы в 8-и статьях, 3-х публикациях вматериалах и 7-ми тезисах Международных конференций, список которыхприведен в конце автореферата.Структура и объем работы.Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и спискацитируемой литературы.

В заключительных параграфах каждой из главформулируютсякраткиеитоги.Объемдиссертациисоставляет124машинописные страницы, включает 46 рисунков, 6 таблиц и список литературыиз 91 наименования.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВовведенииобоснованаактуальностьтемыисследования,сформулированы цель, научная новизна и практическая значимость работы,выдвигаются защищаемые положения.Первая глава содержит обзор литературы по теме диссертационнойработы. Представлены данные о структуре и физических свойствах сплавов вбинарныхсистемахжелезо-бериллийижелезо-алюминий,содержитсяинформация по системе бериллий-алюминий и приведены диаграммы состоянияэтих бинарных систем.Представленылитературныемессбауэровских спектров ядерданныеосверхтонкихпараметрах57Fe, принадлежащих различным фазамисследуемых систем.ОписанафеноменологическаятеорияДаркенасучетомэффектаКиркендалла, которая является основой для анализа экспериментальныхрезультатов по взаимной диффузии компонентов в бинарных металлических-8системах.Проанализированытемпературныезависимостипарциальныхкоэффициентов диффузии атомов железа в бериллии DFeBe, атомов бериллия вжелезе DBeFe, атомов железа в алюминии DFeAl и алюминия в железе DAlFe.

Всоответствии с этими данными, полученными в результате проведенияэкспериментов с массивными образцами, определены необходимые длядальнейшего теоретического описания экспериментальных данных парциальныекоэффициенты диффузии.Во второй главе приводится технология приготовления образцов,описываетсяметодмагнетронногонапыления,условияиинтервалытермических отжигов исследуемых слоистых систем, а также используемыеэкспериментальные методы исследования.В качестве подложки использовались тонкие фольги α-железа (89 ат.%57Fe, общее содержание примесей менее 0.06ат.%) равномерно прокатанных до~10-11 мкм. Толщина фольги выбиралась из соображений эффективногоприменения методов мессбауэровской спектроскопии и рентгенофазовогоанализа, поскольку, комбинируя эти методы, можно получить информацию офазовых преобразованиях в объеме и в приповерхностных слоях исследуемогообразца.Нанесение бериллия или алюминия на подложку с одной или с двухсторон проводилось методом магнетронного напыления на установке «Аргамак»при температуре 150°С.