Випуски УФМ »  Том 4, випуск 3

Спонтанне фрагментування металів в області фазових перетворень

В. П. Майборода$^{1}$, А. П. Шпак$^{2}$, Ю. А. Куницький$^{3}$

$^1$Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, вул. Академіка Кржижановського, 3, 03142 Київ, Україна
$^2$Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна
$^3$Технічний центр НАН України, вул. Покровська, 13, 04070 Київ, Україна

Отримана: 03.06.2003. Завантажити: PDF

Наводяться дані про зміни когезійних енергій (на 1–2%) в ОЦК- і ГЦК-фазах заліза та міді при збільшенні параметрів граток до значень, що відповідають стадії передплавління. З урахуванням схованої теплоти плавлення ці зміни складають 4–5% і свідчать про відсутність фізичних причин для поатомного розупорядкування розплаву. Різка залежність когезійної енергії від параметрів гратки призводить до виникнення великих напружень (у порівнянні з міцністними характеристиками і напруженнями Пайєрлса). Цей процес при нагріванні кристалів до температур, що перевищують у 1,5–2 рази дебаївські, призводить до множинного народження дислокацій, а їх полігонізація — до спонтанного фрагментування структури. Оборотність цього явища при охолодженні свідчить про те, що термічно активовані полігональні процеси відображають виникнення нового ступеня вільності руху атомів при термічній активації твердих тіл. Результати структурних досліджень металів (in situ) охоплюють криогенні температури, стадії передплавлення, плавлення, нагріву розплаву і затвердіння. Охолодження заліза і хрому до температур $\leq 140$ К призводить до спонтанного фрагментування їх зерен. Процес супроводжується виникненням двійників і утворенням витягнутих комірчастих дислокаційних структур. Нагрівання плівок чистих металів (Fe, Cu, Ni, Ag і Au) вище температури Дебая призводить до початку спонтанного фрагментування зерен. При подальшому підвищенні температури до стадії передплавлення фрагментування підсилюється, а щільність дислокацій досягає величин $\sim 10^{11}$ см$^2$. Перехід металів в межах області схованої теплоти плавлення супроводжується кластерним фрагментуванням на блоки когерентного розсіювання величиною $\sim 3–5$ нм. Процес супроводжується виникненням явища коалесценції і посиленням броунівської рухливості структурних фрагментів розплаву. В ущільненому стані така система була б подібна до сильнодеформованої зі щільністю дислокацій $\sim 10^{13}$ см$^2$. Сильно нагрітий розплав є розупорядкованим до кластера. Течія розплаву призводить до його розшарування на структурні поліфрагменти, що успадковуються при затвердінні. Початкова стадія затвердіння супроводжується збільшенням на порядок (і більше) кількості кристалічних нанофрагментів, що зіставляється зі зниженням щільності дислокацій на два (і більше) порядки ($\leq 10^{11}$ см$^2$). Наступне зменшення температури призводить до росту наноструктурних фрагментів.

Ключові слова: фрагментування, розплав, кластер, розшарування, наноструктура.

PACS: 61.25.Mv, 61.46.+w, 61.50.Lt, 61.72.Ff, 61.72.Mm, 81.07.Bc

Citation: V. P. Majboroda, A. P. Shpak, and Yu. A. Kunitskiy, Spontaneous Fragmentation of Metals in Range of Phase Transformations, Usp. Fiz. Met., 4, No. 3: 123—233 (2003) (in Russian), doi: 10.15407/ufm.04.03.123

Цитована література (136)  
  1. Х. Зак, Внутреннее трение и дефекты в металлах (Москва: Металлургия: 1965), с. 307.
  2. А. Новик, Б. Берри, Релаксационные явления к кристаллах (Москва: Атомиздат: 1975).
  3. Л. Н. Лариков, Л. М. Бакланова, А. Г. Драчинская, А. Н. Устинов, Металлы, № 5: 182 (1978).
  4. Р. Хоникомб, Пластическая деформация металлов (Москва: Мир: 1972).
  5. R. Stedman, L. Almqvist, and G. Nilsson, Phys. Rev., 162: 549 (1967). Crossref
  6. С. И. Новикова, Тепловое расширение твердых тел (Москва: Наука: 1974).
  7. В. П. Майборода, А. П. Шпак, Ю. А. Куницкий, Структурные аспекты теории плавления и затвердевания (Киев: Академпериодика: 2002).
  8. И. В. Гаврилин, Плавление и кристаллизация металлов и сплавов (Владимир: 2000).
  9. Г. Лейбрид, Микроскопическая теория механических и тепловых свойств кристаллов (Москва–Ленинград: Физматгиз: 1963).
  10. А. П. Шпак, А. А. Лисенко, В. П. Майборода, Ю. А. Куницкий, Металлофиз. новейшие технол., 25, № 7: 843 (2003).
  11. Дж. Фридель, Физика металлов. I. Электроны (Ред. Дж. Займан) (Москва: Мир: 1972).
  12. А. А. Лисенко, В. П. Майборода, В. Л. Бекенев и др., Зависимость электронной структуры ОЦК- и ГЦК-фаз железа от параметра решетки (Киев: 1985) (Препр./АН УССР. ИПМ. № 15, 1985).
  13. P. Hohenberg and W. Kohn, Phys Rev., 136, No. 3B: 864 (1964). Crossref
  14. W. Kohn and L. J. Sham, Phys. Rev., 140, No. 4A: 1133 (1965). Crossref
  15. J. F. Janak, Phys. Rev., B9, No. 10: 3985 (1974). Crossref
  16. V. L. Moruzzi, J. F. Janak, and A. R. Williams, Calculated Electronic Properties of Metals (New York: Pergamon Press: 1978).
  17. A. G. Milevskii, A. A. Lisenko, M. M. Morozov, and E. A. Zhurakovskii, Phys. Stat. Sol. (b), 198, No. 2: 629 (1996). Crossref
  18. L. Hedin and B. I. Lundqvist, J. Phys. C: Solid State Phys., 4, No. 14: 2064 (1971). Crossref
  19. В. П. Майборода, В. І. Іващенко, Г. О. Максимова, Укр. физ. журн., 39, № 7–8: 869 (1994).
  20. Л. Н. Лариков, Ю. Ф. Юрченко, Тепловые свойства металлов и сплавов (Киев: Наук. думка: 1985).
  21. Дж. Хирт, И. Лоте, Теория дислокаций (Москва: Атомиздат: 1972).
  22. С. В. Вонсовский, Магнетизм (Москва: Наука: 1971).
  23. И. И. Новиков, Дефекты кристаллического строения (Москва: Металлургия: 1975).
  24. А. М. Косевич, Физическая механика реальных кристаллов (Киев: Наук. думка: 1981).
  25. Г. Стенли, Фазовые переходы и критические явления (Москва: Мир: 1973).
  26. В. К. Григорович, Электронное строение и термодинамика сплавов железа (Москва: Наука: 1970).
  27. Свойства элементов. Справочник (Москва: Металлургия: 1985).
  28. P. D. Desai, J. Phys. Chem. Ref. Data., 15, No. 3: 967 (1986). Crossref
  29. В. Е. Зиновьев, Теплофизические свойства металлов при высоких температурах. Справочник (Москва: Металлургия: 1989).
  30. Ya. A. Kraftmakher and T. Yu. Peinegina, Phys. Stat. Sol., 42: 151 (1970).
  31. И. Г. Кожевников, Л. А. Новицкий, Теплофизические свойства материалов при низких температурах. Справочник (Москва: Машиностроение: 1982).
  32. В. М. Манжуев, С. Г. Талуц, М. И. Сандакова, Б. В. Власов, В. Е. Зиновьев, Физ. мет. металловед., 201 (1989).
  33. D. J. Dever, J. Appl. Phys., 43: 3293 (1972). Crossref
  34. Р. И. Гарбер, А. И. Ковалев, Завод. лаб., № 4: 477 (1958).
  35. Н. В. Новиков, Н. В. Филин, Н. И. Городынский и др. Прочность материалов и конструкций криогенной техники (Ред. Н. В. Новиков) (Киев: Наук. думка: 1992).
  36. А. Ф. Войтенко, Ю. Д. Скрипник, Н. Г. Соловьева, Прочность материалов и конструкций при низких температурах (Киев: Наук. думка: 1984), с. 52.
  37. В. И. Трефилов, Ю. В. Мильман, С. А. Фирстов, Физические основы прочности металлов (Киев: Наук. думка: 1975).
  38. Д. Халл, Разрушение твердых тел (Москва: Металлургия: 1967), с. 222.
  39. В. И. Старцев, В. А. Ильичев, В. В. Пустовалов, Пластичность и прочность металлов и сплавов при низких температурах (Москва: Металлургия: 1975).
  40. В. А. Стрижало, Циклическая прочность и ползучесть металлов при малоцикловом нагружении в условиях низких и высоких температур (Киев: Наук. думка: 1977), с. 157.
  41. В. П. Майборода, Г. А. Максимова, Металлы, № 1: 117 (1993).
  42. В. И. Трефилов, В. Ф. Моисеев, Э. П. Печковский, ДАН УССР. Сер. А, № 11: 81 (1985).
  43. П. Хирш, Р. Николсон, А. Хови, Д. Пэшли и др., Электронная микроскопия тонких кристаллов (Москва: Мир: 1968).
  44. В. Г. Пушин, Р. Р. Романова, Ю. Д. Тяпкин и др., Физ. мет. металловед., 43, № 4: 826 (1977).
  45. Б. И. Горбачев, П. Г. Иваницкий, В. Т. Кротенко и др., Укр. физ. журн., 18, № 9: 1528 (1973).
  46. Л. И. Лысак, Я. Н. Вовк, Ю. М. Полищук, Завод. лаб., № 8: 1021 (1968).
  47. V. P. Maiboroda, V. M. Adeev, G. A. Maksimova, and G. M. Molchanovskaya, Proc. of International Conf. ‘Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges’ (Nov. 4–8, 2002) (Kyiv: Ukraine: 2002), vol. 1, p. 167.
  48. О. А. Кайбышев, Пластичность и сверхпластичность металлов (Москва: Металлургия: 1984).
  49. О. А. Кайбышев, Сверхпластичность промышленных сплавов (Москва: Металлугия: 1984).
  50. А. П. Гуляев, Сверхпластичность стали (Москва: Металлургия: 1982), с. 56.
  51. А. П. Гуляев, Л. М. Сарманова, МиТОМ, № 4: 43 (1972).
  52. Т. Ф. Волынова, А. П. Гуляев, МиТОМ, № 3: 24 (1981).
  53. М. Р. Имаев, Физ. мет. металловед., 64, вып. 4: 824 (1987).
  54. В. П. Майборода, Г. А. Максимова, Изв. АН СССР. Металлы, № 6: 67 (1990).
  55. В. Н. Тимофеев, Теплофизичекие свойства веществ и материалов, № 19: 108 (1983).
  56. В. П. Майборода, Г. А. Максимова, Металлофиз., 12, № 5: 127 (1990).
  57. С. Л. Рево, В. П. Майборода, К. О. Іваненко, І. П. Шевченко, Вісник Київського університету. Серія: фізико-математичні науки, вип. 1: 482 (2000).
  58. В. Г. Пушин, Л. И. Юрченко, С. П. Павлова, Ю. Э. Турхан, Физ. мет. металловед., 66, № 4: 777 (1988).
  59. О. М. Бялік, В. С. Черненко, В. М. Писаренко, Ю. Н. Москаленко, Металознавство (Київ: Політехніка: 2002).
  60. В. П. Майборода, Г. А. Максимова, Тез. докл. VI Всесоюзн. конф. «Физика разрушения» (26–28 сентября 1989 г.) (Киев: ИПМ АН УССР: 1989), ч. 1, с. 82.
  61. В. П. Майборода, Г. А. Максимова, МиТОМ, № 5: 28 (1992).
  62. В. П. Майборода, Г. О. Максимова, Г. М. Молчановська, С. Л. Рево, Вісник Київського університету. Серія: Фізико-математичні науки, вип. 2: 517 (2000).
  63. Н. Ашкрофт, Н. Мермин, Физика твердого тела (Москва: Мир: 1979), т. 2, с. 88.
  64. В. І. Трефілов, В. П. Майборода, Г. О. Максимова, Г. М. Молчановська, С. Л. Рево, Вісник Київського університету. Серія: фізико-математичні науки, вип. 4: 530 (2000).
  65. V. P. Maiboroda, G. A. Maksimova, and G. M. Molchanovskaya, Proc. of Inter-national Conf. ‘Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges’ (November 4–8, 2002) (Kyiv, Ukraine: 2002), vol. 1, p. 165.
  66. Ф. М. Перельман, А. Я. Зворыкин и Н. В. Гудыма, Кобальт (Москва: Изд. АН СССР: 1949).
  67. В. П. Майборода, А. А. Лисенко, Исследование природы возникновения ультрамелкокристаллической реечной структуры железа на стадии предплавления (Киев: 1986) (Препр./АН УССР. ИПМ. № 12, 1986).
  68. А. Коттрелл, Теория дислокаций (Москва: Мир: 1969).
  69. Г. В. Курдюмов, Л. М. Утевский, Р. И. Энтин, Превращение в железе и стали (Москва: Наука: 1977).
  70. С. Амелинкс, Методы прямого наблюдения дислокаций (Москва: Мир: 1968).
  71. В. А. Лихачев, В. В. Рыбин, Изв. АН СССР. Сер. физ., 37, № 11: 2433 (1973).
  72. В. В. Рыбин, В. Н. Переверзенцев, ФТТ, № 17: 3188 (1975).
  73. В. Н. Переверзенцев, А. С. Рубцов, В. В. Рыбин, ФТТ, № 18: 3247 (1976).
  74. П. И. Полухин, С. С. Горелик, В. К. Воронцов, Физические основы пластической деформации (Москва: Металлургия: 1982).
  75. В. П. Майборода, Металлы, № 3: 43 (1993).
  76. Я. С. Уманский, Рентгенография металлов (Москва: Металлургия: 1967).
  77. Л. И. Миркин, Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов (Москва: Наука: 1961).
  78. В. П. Майборода, Исследование процессов структурообразования в металлах при фазовых переходах (Дисс. ... д-ра ... н.) (Киев: Киевский госуниверситет: 1991).
  79. В. П. Майборода, Влияние обработки расплава на структуру и плотность цинка. Деп. ВИНИТИ от 17.05.90, № 2711-В90 (Металлофиз., № 5: (1990)).
  80. В. П. Майборода, Тез. докл. VI Всесоюзн. конф. «Физика разрушения» (26–28 сент. 1989) (Киев: 1989), с. 322.
  81. В. П. Майборода, Пластические свойства и структура меди на стадии предплавления. Деп.ВИНИТИ от 27.09.90, № 5168-В90 (Металлофиз., №1 (1991)).
  82. В. П. Майборода, Изв. АН СССР. Металлы, № 4: 49 (1990).
  83. Б. Чалмерс, Теория затвердевания (Москва: Металлургия: 1968).
  84. Д. Р. Вилсон, Структура жидких металлов и сплавов (Москва: Металлургия: 1972).
  85. В. П. Майборода, Физ. хим. обработки материалов, № 3: 30 (1996).
  86. Л. М. Утевский, Дифракционная электронная микроскопия в металловедении (Москва: Металлургия: 1973).
  87. Н. А. Ватолин, Э. А. Пастухов, Дифракционные исследования строения высокотемпературных расплавов (Москва: Наука: 1980).
  88. С. С. Горелик, Л. Н. Расторгуев, Ю. А. Скаков, Рентгенографический и электроннооптический анали (Москва: Металлургия: 1970).
  89. V. H. Richter and G. Breitling, Metallkunde, 1, No. 9: 628 (1970).
  90. А. П. Шпак, А. Б. Мельник, Укр. физ. журн., 39, № 7–8: 826 (1994).
  91. B. R. Orton, G. R. Marba, and A. T. Steel, J. Phys. F: Metal Phys., 17: 45 (1987). Crossref
  92. В. Г. Барьяхтар, Л. Е. Михайлова, А. Г. Ильинский и др., ЖЭТФ, 95, № 4: 1404 (1989).
  93. Дж. Д. Бернал, Успехи химии, 60, № 10: 1312 (1961).
  94. Дж. Д. Бернал, Кристаллография, 7, № 4: 505 (1962).
  95. Я. И. Френкель, Кинетическая теория жидкостей (Ленинград: Наука: 1975).
  96. К. Крокстон, Физика жидкого состояния (Москва: Мир: 1978).
  97. V. P. Maiboroda and A. K. Sinelnichenko, Proc. of International Conf. ‘Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges’ (November 4–8, 2002) (Kyiv, Ukraine: 2002), vol. 1, p. 171.
  98. С. Л. Рево, В. С. Копань, В. П. Майборода, Внутреннее трение в металлах и неорганических соединениях (Москва: Наука: 1982), с. 147.
  99. В. П. Майборода, Расплавы, № 2: 82 (1996).
  100. В. П. Майборода, В. И. Трефилов, Г. А. Максимова, С. Л. Рево, Металлофиз. новейшие технол., 19, № 8: 19 (1997).
  101. A. V. Turning, Phil. Trans. Roy. Soc. Ser. B, 237: 37 (1952). Crossref
  102. V. P. Maiboroda, Thin Solid Films, 195, Nо. 1–2: 357 (1991). Crossref
  103. В. П. Майборода, Расплавы, № 3: 117 (1991).
  104. В. П. Майборода, Укр. физ. журн., 36, № 7: 1083 (1991).
  105. Б. Т. Бойко, Л. С. Палатник, Н. И. Редькина, Физ. мет. металловед., 13, вып. 4: 555 (1962).
  106. Ю. Ф. Комник, Кристаллография, вып. 2: 213 (1966).
  107. R. M. J. Cotterill and J. K. Kristensen, Phil. Mag., No. 2: 453 (1977). Crossref
  108. J. L. Tallon and R. M. J. Cotterill, Australian J. of Physics, 38, No. 2: 209 (1985). Crossref
  109. В. П. Майборода, Тез. докл. 2-й Всесоюзн. конф. «Физикохимия ультрадисперсных систем» (17–21 окт. 1989) (Юрмала: 1989), с. 240.
  110. В. П. Майборода, Расплавы, № 4: 105 (1991).
  111. В. П. Майборода, Г. А. Максимова, А. К. Синельниченко, Расплавы, № 6: 13 (1994).
  112. В. П. Майборода, Г. А. Максимова, А. К. Синельниченко, Укр. физ. журн., № 11: 1752 (1991).
  113. В. П. Майборода, Г. А. Максимова, Укр. физ. журн., 38, № 2: 251 (1993).
  114. О. Кубашевский, Б. Гонкинс, Окисление металлов и сплавов (Москва: Металлургия: 1965).
  115. В. И. Нефедов, Рентгеноэлектронная спектроскопия химических соединений: Справочник (Москва: Химия: 1984).
  116. В. П. Майборода, Расплавы, № 4: 19 (1992).
  117. А. Г. Лесник, Металлофиз., 6, № 1: 64 (1984).
  118. В. П. Майборода, Г. О. Максимова, Г. М. Молчановська, Укр. физ. журн., 41, № 11–12: 1063 (1996).
  119. В. П. Майборода, Г. О. Максимова, С. Л. Рево и др., Вісник Київського університету, Серія: Фізико-математичні науки, вип. 3: 452 (2000).
  120. А. Уббелоде, Плавление и кристаллическая структура (Москва: Мир: 1969).
  121. В. П. Майборода, В. И. Трефилов и др., Металлы, № 2: 124 (1999).
  122. В. М. Иевлев, Л. И. Трусов, В. А. Холмянский, Структурные превращения в тонких пленках (Москва: Металлургия: 1982).
  123. В. П. Майборода, Исследование закономерности переохлаждения жидкого железа от температуры перегрева (Киев: 1987) (Препр./АН УССР. ИПМ. № 11, 1987).
  124. В. П. Костюченко, О. П. Федоров, Металлофизика, 7, № 4: 65 (1985).
  125. А. И. Духин, Проблемы металловедения и физика металлов (Москва: Металлургиздат: 1959), т. 6, с. 9.
  126. В. П. Майборода, Расплавы, № 5: 64 (1995).
  127. V. P. Maiboroda and Yu. A. Kynitskiy, Proc. of International Conf. ‘Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges’ (Nov. 4–8, 2002) (Kyiv, Ukraine: 2002).
  128. G. A. Chadwick, Acta Met., 10, No. 1: 1 (1962). Crossref
  129. В. П. Майборода, Г. О. Максимова, Г. М. Молчановська и др., Вісник Київського університету, Серія: Фізико-математичні науки, вип. 2: 520 (2000).
  130. В. П. Майборода, Расплавы, № 3: 115 (1991).
  131. В. П. Майборода, В. А. Макара, Г. М. Молчановська та ін., Доп. НАН України, № 11: 64 (2001).
  132. В. П. Майборода, Укр. физ. журн., 36, № 6: 904 (1991).
  133. А. П. Шпак, Б. А. Мельник, В. Д. Краля и др., Процессы литья, № 1: 20 (1996).
  134. В. С. Иванова, Л. К. Гордиенко, Новые пути повышения прочности металлов (Москва: Наука: 1964).
  135. В. С. Иванова, А. С. Балакин, И. Ж. Букин, А. Л. Оксагаев, Синергетика и фракталы в материаловедении (Моква: Наука: 1994).
  136. А. С. Бакай, И. М. Михайловский, Т. И. Мазилова, Н. Вандерка, Физ. низких температур, 28, вып. 4: (2002).

© 2013–2018 «ІМФ НАН України»