Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
10
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
Інститут металофізики iм. Г.В.Курдюмова
На правах рукопису
КОРОБОВ ВАЛЕРІЙ ОЛЕКСІЙОВИЧ
УДК:539.26:539.213
АТОМНА БУДОВА РОЗПЛАВІВ
ЧОТИРИКОМПОНЕНТНОЇ СИСТЕМИ Bi-Ga-Sn-Ge
Спеціальність 01.04.13 - фізика металів
Автореферат дисертації на здобуття вченого ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Київ 1998
Роботу виконано
в Iнститутi металофiзики iм. Г.В. Курдюмова
НАН України
Науковий керiвник: доктор фiзико-математичних наук
Iльїнський А.Г.
Офiцiйнi опоненти: доктор фiзико-математичних наук,
професор Барабаш О.М. (ІМФ НАНУ)
доктор фiзико-математичних наук,
Лисов В.И.
(Київський національний університет)
Провiдна органiзацiя: Iнстiтут проблем матерiалознавства
iм. I.М. Францевiча НАНУ, м. Київ
Захист видбудеться “ “ 1998 на засiданнi
спецiалiзованої ради Д.26.168.01 при Iнстiтутi
металофiзики НАН України за адресою: 252680 МСП,
Київ 142, проспект Вернадського, 36.
З дисертацiєю можна ознайомитися у бiблiотецi IМФ НАН України
Автореферат розiслано “ “ 1998
Учений секретар
спецiалiзованої ради доктор ф-м наук
Д.26.168.01 В.К. Піщак
Актуальнiсть роботи.
Iнтерес до металевих рoзплавiв, крiм фундаментальних проблем дослiдження рiдкого стану, зумовлений також i їх практичним застосуванням. Безпосередньо вони використовуються, наприклад, у виглядi теплоносiїв у атомних реакторах, робочих тiл магнiтогiдродинамiчних генераторiв, у вакуумних затворах. У цей час для полiпшення службових властивостей металiв та сплавiв крiм термомеханiчної обробки у твердому станi застосовують також рiдкофазну обробку. У виглядi прикладiв можна навести термочасову обробку, ультразвукову, вiброiмпульсну дiю. При вивченнi механiзму впливу piдкофазної обробки на фiзичнi властивостi закрiсталiзованого металу необхiдно докладне дослiдження фiзичних властивостей розплаву до та пiсля обробки, у тому числi дослiдження структури. Бажано використовувати методи, що дозволяють отримувати максимально точну кiлькiсну iнформацiю про структуру багатокомпонентних розплавiв. У рамках методу кореляцiйних функцiй розподiл атомiв рiзного сорту описують за допомогою парцiальних функцiй. Проте у цей час досить складно їх точне експериментальне визначення. Як правило, для цього необхiдно проводити нейтронографiчне дослiдження. Причому складнощi з точним визначенням парцiальних структурних факторiв хутко зростають iз збiльшенням кiлькостi компонентiв. Крiм того, якщо розплав мiстить мiкроскопiчнi областi з рiзноманiтною структурою та складом, тодi парцiальнi функцiї є посереднiми за обсягом. Тому метод рентгенографiчного дослiдження розподiлу атомiв у багатокомпонентних розплавах, що пропонується у данiй роботi, є актуальним.
Мета роботи. Основна мета роботи укладалася у дослiдженнi ближнього упорядкування у чотирикомпонентних розплавах системи Bi-Ga-Sn-Ge у широкiй концентрацiйнiй областi, отриманнi кiлькiсної iнформацiї про розподiл атомiв рiзного сорту у розплавах. Оскiльки структура бiльшостi дво- та трикомпонентних розплавiв, включених у дану систему, ранiше була успiшно iнтерпретована у рамках моделi мiкронерiдної будови, природно було перевiрити можливiсть опису у рамках цiєї моделi також i чотирикомпонентних розплавiв. Для досягнення цiєї мети, крiм проведення рентгенографiчного дослiдження великої кiлькостi розплавiв, необхiдно було також розробити математичний апарат моделi мiкронеоднорiдної будови, що дозволить описувати структуру розплавiв iз довiльною кiлькiстю компонентiв.
Наукова та практична цiннiсть.
Одержанi у працi результати дозволяють поширити нашi знання про будову металевих рiдин, що складаються iз декiлькох компонентiв. Розроблений метод iнтерпретацiї дифракцiйних кривих при дослiдженнi структури багатокомпонентних розплавiв може бути використаний для дослiдження властивостей рiдких сплавiв, що застосовуються у промисловистi. Цi сплави, як правило, багатокомпонентнi i для отримання кiлькiсної iнформацiї про їх структуру розроблена модель може бути дуже корисною.
Апробацiя працi та публикациi.
Матерiали дисертацiї опублiкованi у 4-х статтях та доповiдалися на 1 Українськiй конференцiї " Структура та фiзичнi властивостi невпорядкових систем"( Львiв, 1993).
Структура та обсяг дисертацiї.
Праця складається iз введення, чотирьох розділів, висновкiв та перелiку посилань. Вона викладена на 115 сторiнках друкованого тексту, мiстить 26 малюнка, 2 таблиці.
Особистий внесок дисертанта. Єкспериментальне дослідження розплавів на дифрактометрі проводилось спільно із Слюсаренком С.І. а також самостійно. Розробка математичного апарату моделі для багатокомпонентних систем зроблена дисертантом. Аналіз результатів, узагальнення матеріалів та висновки зроблені спільно з науковим керівником.
Змiст працi.
У вступi обгрунтована актуальнiсть працi, сформульованi цiлi. Стисло викладенi результати, одержанi у ходi виконання працi. Сформульованi основнi положення, що виносяться на захист.
У першому розділі у стислому виглядi викладенi основи теорiї розсiяння рентгенiвського випромiнювання багатокомпонентними розплавами. Наведенi рiвняння, що лежать у основi рентгенодиффракцiйного методу дослiдження структури багатокомпонентних розплавiв. Викладен метод парцiальних функцiй при iнтерпретацiї дифракцiйних кривих вiд розплавiв. Описанi методи експериментального визначення парцiальних структурних факторiв та проблеми,що виникають при цьому. Вiдзначається дуже швидке зростання помилок визначення парциальних структурних факторiв при збiльшеннi кiлькостi компонентiв. Проте вiдмiченi труднощi спонукають шукати й iншi методи iнтерпретацiї експериментальних кривих. При цьому важливо зберегти такi привiлеї методу парцiальних функцiй, як детальна кiлькiсна iнформацiя та вiдсутнiсть будь-яких уточнюючiх параметрiв.
У першому роздiлi розглянутi також моделi ближнього упорядкування у рiдких металах. В основному цi моделi можна розбиити на 2 класи: квазикристалiчнi та квазигазови. У перших припускають подiбнiсть ближнього впорядкування у рiдкому станi з атомним упорядкуванням цих же металiв у крiсталiчному станi. Приведено опис iнтерпретацiї даних дифракцiйного експерименту на основi методу " размивання " градок.
Розглянутi моделi мiкронеоднорiдної будови дво- та трикомпонентних систем, розробленi у працях А. Г.Iльїнського та його спiвробiтникiв. У цих моделях припускається, що розплави є у певному змiстi "багатоструктурними". У них iснують мiкроутворювання (мiкроугрупування) рiзноманiтного концентрацiйного складу та типу упаковування атомiв.
У роздiлi вiдзначається, що математичний апарат моделей для дво- та трикомпонентних систем не може бути застосований для опису структури у рамках моделi мiкронеоднорiдної будови систем, що складаються з бiльшого числа компонентiв. Дифракцiйнi кривi розплавiв промiжних складiв, згiдно з моделями, є зваженою сумою дифракцiйних кривих опорних розплавiв. Для експериментальної перевiрки моделi необхiдно одержувати кривi розсiяння вiд опорних та промiжних розплавiв. Наводяться приклади застосування цих моделей для конкретних розплавiв. В усiх випадках отримана добра згода модельних та експериментальних дифракцiйних кривих.
У другому розділі викладена методика рентгенодиффракцiйного експерименту. У першому роздiлi докладно описано високотемпературний дiфрактометр iз горизонтальною вiссю обертання рентгенiвської трубки та детектору. Описана також апаратура реєстрацiї та вибiр режимiв її роботи. Докладно викладенi вимоги, що пред'являються до рiдиноометалевого взiрця.
Описанi методи нормування дифракцiйної кривої. Обговоренi проблеми, що виникають у зв'язку з її обривом. Обрив дифракцiйної кривої (структурного фактору) призводить до помилок при розрахунку функцiї радiального розподiлу атомiв (ФРРА). Цi помилки пов'язанi з тим, що розрахунок ФРРА виробляється засобом Фур'є-перетворення структурного фактору, при якому вимагаються безкрайнi межi iнтегрування, тодi як експериментальна крива завжди має кiнцевi межi. У зв'язку з цим представляє iнтерес розрахунок ФРРА без використання перетворення Фур'є. У наданiй роботi поряд з Фур'є -аналiзом для обробки дифракцiйних кривих використовувався метод регулярiзацiї. Почадковi незгладженi кривi розсiювання рентгенiвського випромiнювання нормувалися, розраховувався структурний фактор, що використовувався у виглядi вхiдних даних у методi регулярiзацiї. Вiдносна похибка структурного фактору (з урахуванням похибки, що вноситься при нормуваннi) задавалася в iнтервалi 0.04 - 0.07. На отриманих таким методом ФРРА вiдсутнi деякi деталi, що мають мiсце при використаннi перетворення Фур'є, проте не можна стверджувати, що ефект обриву повнiстю усувається. До привiлеїв методу треба вiднести можливiсть не проводити попереднє зглаження початкової кривої розсiяння а також бiльш точно враховувати похибки вхiдних даних (структурного фактору.
У третьому розділі розроблений математичний апарат моделi мiкронеоднорiдної будови багатокомпонентних розплавiв. Викладенi основнi положення моделi для систем iз довiльною кiлькiстю компонентiв
1)Мiкронеоднорiднi розплави мiстять атомнi мiкроугрупування декiлькох типiв. Мiкроугрупування рiзноманiтного типу вiдрiзняються за складом та атомною структурою. Всього мається фиксована кiлькiсть типiв мiкроугрупувань, з яких можуть складатися розплави даної системи. Двокомпонентний мiкронеоднорiдний розплав будь-якого складу мiстить не бiльше двох типiв мiкроугрупувань.
2) Вся область концентрацiй n-компонентної системи розбитою на декiлька областей, що геометрично становлять n -1- мернi багатограники. Вершини цих багатогранникiв називаються опорними точками. Розплави, вiдповiднi по складу опорним точкам (опорнi розплави), мiстять мiкроугрупування одного типу. У самому концентрацiйному багатограннику (крiм вершин та граней) розплави мiстять мiкроугрупування опорних розплавiв i кiлькiсть типiв мiкроугрупувань в них дорiвнюється кiлькостi вершин багатограника. В разi двокомпонентної системи мова iде про концентрацiйнi iнтервали, обмеженi опорними точками. При змiнi складу в межах концентрацiйного багатограника змiнюється тiльки вiдносна кiлькiсть мiкроугрупувань рiзноманiтного типу, але всi розплави з наданого концентрацiйного багатограника складаються з одних i тих самих мiкроугрупувань. Питання про те, яку кiлькiсть вершин може мати концентрацiйний багатограник, тобто скiльки типiв мiкроугрупувань може мiстити мiкронеоднорiдний розплав, буде розглянуте нище.
3) Кореляцiї мiж положеннями атомiв, що знаходяться у рiзноманiтних мiкроугрупуваннях вiдсутнi. Це вiдноситься в тому числi i до атомiв, що знаходяться у рiзноманiтних мiкроугрупуваннях одного типу.
З останнього положення виходить, що мiкроугрупуваня розсiюють випpомiнювання незалежно. Це дозволяє виразити iнтенсивнiсть розсiювання багатоструктурним розплавом, що мiстить мiкроугрупування декiлькох типiв, через iнтенсивностi розсiювання опорними розплавами, що мiстять мiкроугрупування одного типу. Iнтенсивнiсть розсiюванняя багатокомпонентним розплавом визначається функцiями , де ij(r) - парцiальнi функцiї атомної густини, j - атомна густина j- го компоненту. Необхiдно оримати спiввiдношення мiж цими функцiями для багатоструктурного й опорних розплавiв. Для цього обсяг V та повне число атомiв N n-компонентного розплава, що мiстить L типiв мiкроугрупувань представляється у виглядi,
, , ( 1)
де - обсяг k-ї пiдсистеми, - кiлькiсть атомiв в у k-ї пiдсистемi. Пiдсистема - множина атомiв, розмiщених у мiкроугрупуваннях k-го типу. Вводяться величини
, (2)
що називаються надалi частками мiкроугруповань k-го типу. Парцiальнi парнi функцiї густини для неоднорiдної системи, пов'язанi з парциальними Фрр спiввiдношенням
, (3)
де j - атомна густина j-го компоненту, gij(r) - парциальнi Фрр. За вiдсутностi корреляцiй мiж положеннями атомiв парна функцiя густини представляється у виглядi твору одночасткових функцiй , що в разi однорiдної системи становлять атомнi густини компонентiв (i и j): . Використовуючи це спiввiдношення та основнi положення моделi, що сформулювалися вище, можна одержати наступне piвняння для парної функцiї густини мiкронеоднорiдної системи :
(4)
де - характеристичні функції підсистем ( тобто =1, якщо атом знаходиться у k - ій підсистемі, та
=0 – в противному випадку ), , , - парні та одночасткові функції густини підсистем. Функції паpного pозподілу багатостpуктуpної мікpонеодноpодної системи, що отримують експеpиментально, є посеpедненими по обсягу та по напрямам функціями, що залежать тільки від модуля вектору (). Посеpеднені по обсягу одночасткові функції
є атомні густини компонентів:
( 5)
Після переходу до перемінним r посеpеднена парна функція визначається виразом
, ( 6)
де кути визначають напрям вектору ,а - відстань поміж атомами. Посеpеднені функції підсистем визначаються таким же виразом з заміною , де - обсяг, що займається k-ю підсистемою. Після посеpеднення левої та правої частини ( 4 ) отримується pівняння
(14)
Таким чином, pівняння (5 -16) зв'язують корляційні функції мікронеоднорідного багатоструктурного розплаву з кореляційними функціями його підсистем, що містять мікроугруповання одного типу. Оскільки ці функції відмінні від нуля тільки в межах одного мікроугрупованя, можна затверджувати, pівняння (5-14) зв'язують корляційні функції багатоструктурного розплаву з корляційними функціями опорних розплавів, кожний з яких містить мікроугруповання відповідної підсистеми. Оскільки функції опоpних складів, що входять у пpаву частину цих pівнянь, від середньої концентрації не залежать, ці pівняння визначають також характер концентрацій