ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2014, том 78, № 8, с. 968-972
УДК.539.22.669.24:669.234.001.5
ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ДАЛЬНЕГО АТОМНОГО ПОРЯДКА И РАЗМЕРОВ АНТИФАЗНЫХ ДОМЕНОВ НА ЗЁРЕННУЮ СТРУКТУРУ И ПАРАМЕТРЫ СПЕЦИАЛЬНЫХ ГРАНИЦ В СПЛАВАХ СО СВЕРХСТРУКТУРОЙ L12
© 2014 г. Е. В. Коновалова
Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа — Югры"
E-mail: knv123@yandex.ru
Методами рентгеноструктурного анализа, просвечивающей электронной микроскопии, сканирующей электронной микроскопии с применением дифракции обратно рассеянных электронов и оптической металлографии обнаружено, что в сплавах Ni3Mn и Pd3Fe со сверхструктурой L12, упорядочивающихся через двухфазную область A1 + L12, уменьшение интегральной степени дальнего атомного порядка сопровождается увеличением размеров антифазных доменов и измельчением зе-ренной структуры.
DOI: 10.7868/S0367676514080195
ВВЕДЕНИЕ
В [1] было установлено, что при фазовом переходе порядок—беспорядок А1 ^ Ь12 в сплавах №3Ре и Рё3Ре происходит измельчение зёренной структуры, обусловленное образованием новых границ общего (ОТ) и специального типов (СТ), причем в сплаве Рё3Бе эффект измельчения значительнее. Авторы [1] полагали, что измельчение зёренной структуры обусловлено внутренними напряжениями, возникающими при фазовом переходе. Поскольку в сплаве Рё3Бе последний осуществляется через двухфазную область (А1 + Ь12) и эффект "сверхструктурного" сжатия" больше, чем в сплаве №3Ре, этот факт подтверждал предположение о том, что и для изоструктурных переходов порядок—беспорядок движущей силой рекристаллизации являются внутренние напряжения, возникающие из-за "сверхструктурного сжатия". Более того, было обнаружено, что эффект измельчения зёренной структуры в сплаве Рё3Бе зависит от степени дальнего атомного порядка, что достигалось разной кинетикой упорядочения. Является это общей закономерностью или только спецификой сплава Рё3Бе, стало предметом настоящей работы. С этой целью рассмотрено влияние других факторов, а именно степени дальнего атомного порядка и среднего размера антифазных доменов (АФД) на характеристики зернограничного ансамбля и параметры границ СТ в сплавах Рё3Бе и №3Мп, упорядочивающихся через двухфазную область.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Разная степень порядка в сплавах Pd3Fe и Ni3Mn достигалась различным образом: в сплаве Pd3Fe — режимом упорядочивающего отжига, в сплаве Ni3Mn — степенью отклонения от стехио-метрического состава. Состав исследуемых сплавов и режимы термообработки даны в таблице. Состояние с ближним атомным порядком в сплаве достигалось отжигом при Т = 1173 К в течение 5 ч с последующей закалкой в воду.
Степень дальнего атомного порядка определяли методами рентгеноструктурного анализа. Исследования проводили на дифрактометре ARL X'TRA в излучении CuXa. Зёренную структуру исследовали методами оптической металлографии (ОМ) и растровой электронной микроскопии (Quanta 200 3D) с применением метода дифракции обратно рассеянных электронов (ДОРЭ) и микрорентгеноспек-трального анализа (МРСА). Методом секущей на поверхности оптического шлифа измеряли ближайшие расстояния между границами разного типа. Средний размер зерна определяли, как среднее расстояние между ближайшими границами разного типа. Используя методы ОМ, проводили идентификацию типов границ зёрен путем анализа морфологии, степени травимости и взаимного расположения границ разного типа. Значения относительной энергии границ СТ определяли также методом ОМ с использованием тройных стыков границ зёрен и соотношения Херринга. Исследование антифазной доменной структуры
ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ДАЛЬНЕГО АТОМНОГО ПОРЯДКА
969
Температура превращения порядок—беспорядок (Тк), температура (Тотжига), время отжига, средние размеры АФД ((В)), размеры зерен ((¡?)) и степень дальнего атомного порядка (п)
Сплав Тк, К Т отжига, К Время отжига (В), нм (ф, мкм П ± 0.02
Рё3Бе 910 Ступенчатый отжиг в интервале 923—773 К со скоростью 5° в сутки, далее охлаждение с печью 2 месяца 34 29 0.91
Изотермический отжиг при Т = 873 К 175 ч 80 20 0.87
Изотермический отжиг при Т = 873 К 350 ч 160 12 0.70
№3Мп (N1 + 25 ат. % Мп) 793 Ступенчатый отжиг в интервале 525—300 К со скоростью 5°в сутки, далее охлаждение с печью 2 месяца 11 43 0.89
№3Мп (N1 + 30 ат. % Мп) 26 22 0.79
№3Мп (N1 + 27 ат. % Мп) 43 20 0.76
проводили методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Методом ДОРЭ определяли долю границ СТ, с учетом критерия Брен-дона — средние значения углов отклонения параметров границ СТ от параметров теоретических специальных границ в геометрической модели решетки совпадающих узлов (РСУ).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Качественная картина зёренной структуры в упорядоченных сплавах Рё3Ре и №3Мп одинакова. Поликристалл состоит из зёрен, окруженных границами общего типа. Такие зёрна названы материнскими (МЗ), поскольку образуются при первичной рекристаллизации. Внутри МЗ находятся специальные границы. Количественные параметры зёренной структуры зависят от типа упорядочивающего отжига (Рё3Бе) и от отклонения состава сплава (№3Мп) от стехиометрического, которые определяют как размеры АФД, так и степень дальнего атомного порядка. На рис. 1 представлены зависимости относительных размеров МЗ и расстояний между ближайшими границами разного типа в упорядоченных сплавах №3Мп и Рё3Бе относительно соответствующих значений в сплавах с ближним атомным порядком от средних размеров АФД и степени дальнего атомного порядка. Видно, что с ростом средних размеров АФД (рис. 1а, в) и соответственно с уменьшением степени дальнего атомного порядка (рис. 1б, г) относительные размеры зёрен уменьшаются.
В [2] установлено, что при изотермическом упорядочении начальные этапы роста АФД контролируются высокой избыточной плотностью вакансий и вакансионных комплексов (сплавы Си—25 ат. % Р1 и Си—22 ат. % Р^, а доменная структура является устойчивой при определенном размере АФД, а именно размере, равном 20 нм. Следовательно, дефекты кристаллического строения (вакансии и дислокации) в процессе упорядочивающего отжига интенсифицируют процесс упорядочения и приводят к росту АФД, что, в свою очередь, усиливает неустойчивость упорядоченной фазы и уменьшает интегральную степень дальнего атомного порядка (рис. 2). Из рис. 2 видно, что с увеличением средних размеров АФД происходит уменьшение степени дальнего атомного порядка в сплавах №3Мп и Рё3Бе. При этом увеличиваются микродеформация и среднеквадратичное смещение атомов [3, 4]. Последнее должно приводить к увеличению скорости диффузии в сплавах и соответственно к росту АФД.
В сплаве Рё3Бе при увеличении продолжительности изотермического отжига до 350 ч размеры антифазных доменов достигают 160 нм, что многократно больше, чем при ступенчатом отжиге (таблица). Наряду с областями, в которых фаза Ы2 стабильна и характеризуется высокой степенью дальнего атомного порядка п, появляются также области, в которых фаза Ы2 имеет низкое значение п. В этих локальных областях наблюдаются дефекты упаковки, а на дислокациях появляются нанокристаллические частицы фазы А1 [1]. На микроэлектронограммах рефлексы фазы
970
КОНОВАЛОВА
10 20 30 40 (В), нм 5
"(1) • (2) *(3) ▼ (4)
♦ (5)
★ (6) о(7)
50
100 150 (В), нм
г
0.9 ц
Рис. 1. Зависимости относительных средних размеров МЗ, ограниченных границами ОТ (1—3), всех МЗ (1), МЗ, содержащих границы СТ (2) и не содержащих границы СТ (3), и относительных средних расстояний между любыми границами ближайшими границами (4), между ближайшими границами СТ (5), между ближайшими границами ОТ и СТ (6), между ближайшими границами ОТ (7) сплавах М3МП (а, б) и PdзFe (в, г) с дальним атомным порядком относительно соответствующих значений в сплавах с ближним порядком (стехиометрического состава) от среднего размера АФД (а, в) и степени дальнего атомного порядка (б, г).
0.91
0.84 -
0.77 -
10
20
30
40 (В), нм
50
100
150 (В), нм
Рис. 2. Зависимости интегральной степени дальнего атомного порядка от среднего размера АФД в сплавах М3Мп (а) и Pd3Fe (б).
Ы2 имеют тяжи, что свидетельствует о внутренних напряжениях и неустойчивости кристаллической решетки этой фазы.
Доля всех специальных границ в зерногранич-ном ансамбле и двойниковых в спектре специальных границ и их углы отклонения от теоретических значений в модели РСУ уменьшаются с увеличением степени дальнего атомного порядка в сплаве №3Мп (рис. 3а, б, г), тогда как в сплаве Pd3Fe доля двойниковых границ увеличивается (рис. 3в). Это обусловлено увеличением полных среднеквадратичных атомных смещений при увеличении степени дальнего порядка в этом сплаве [3].
Среднее значение относительной энергии границ СТ зависит как от среднего размера АФД (рис. 4а), так и от степени дальнего атомного порядка (рис. 4б) для исследуемых сплавов. Сплав состава N1+30 ат. % Мп имеет наибольшее значение у/утах среди исследуемых сплавов и не укладывается в общую линейную закономерность. Это обусловлено выделением оксидов марганца по границам СТ [4]. Из рис.4 видно, что увеличе-
П
а
б
ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ДАЛЬНЕГО АТОМНОГО ПОРЯДКА
971
-'ст
0.55 -
0.50 -
0.80 -
0.75
0.70
• №3Мп ★Р^Бе
0.7 0.8 0.9 п
0.7 0.8 0.9 п
Д0СТ, град в
0.7
Д023, град 1.2
0.8
г
0.9 п
0.9 п
Рис. 3. Зависимости доли границ СТ (а) и двойниковых границ Е3 (б), средних значений углов отклонения границ СТ (в) и двойниковых границ Е3 (г) от специальных границ в модели РСУ от степени дальнего атомного порядка в сплавах №3Мп (•) и PdзFe (*).
ние (ВАФД) и соответственно уменьшение степени дальнего атомного порядка приводят к увеличению относительной энергии границ СТ. Двойни-
у/у
тах 0.18
0.12 0.06
0
У/Ут; 0.18
0.12 0.06
60 120 (В), нм
б
0.7
0.8
0.9
1.0 п
Рис. 4. Зависимости средней относительной энергии границ СТ от среднего размера АФД (а) и степени дальнего атомного порядка (б) в упорядоченных сплавах М3Мп и PdзFe.
ковые границы в упорядоченных сплавах остаются наиболее низкоэнергетическими, несмотря на то что их энергия возрастает по
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.