Мессбауэровские исследования процессов диффузии и фазообразования в слоистых системах Fe-Be, Fe-Al и Fe-Al-Be тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ
|
Плаксин, Денис Александрович
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2005
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.07
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА
ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
На правах рукописи УДК 539.292:539.172.3:539.2
Плаксин Денис Александрович
МЕССБАУЭРОВСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДИФФУЗИИ И ФАЗООБРАЗОВАНИЯ В СЛОИСТЫХ СИСТЕМАХ Fe-Be, Fe-Al и Fe-Al-Be
Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Москва - 2005
Работа выполнена на кафедре общей физики физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,
ведущий научный сотрудник В.М. Черепанов
Защита состоится " 16 " июня 2005 года в 1530 часов на заседании диссертационного совета К 501.001.02 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, г.Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория /^Р^У.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.
Автореферат разослан /6 » мая 2005 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета К 501.001.02,
кандидат физико-математических наук И.А. Никанорова
Научный руководитель доктор физико-математических наук,
профессор B.C. Русаков
кандидат физико-математических наук, доцент С.Д. Антипов
Ведущая организация Московский государственный институт
радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА), г. Москва
бота
-з-
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
Для направленной модификации приповерхностных слоев металлических материалов с целью улучшения их поверхностных свойств широко применяются методы ионно-плазменного нанесения покрытий. При магнетронном осаждении используется последующая термическая обработка материала, приводящая к улучшению адгезии покрытия с подложкой, образованию и гомогенизации фаз в диффузионной зоне. Исходное неравновесное пространственное распределение атомных компонентов и последующий термический отжиг приводят к пространственной направленности процесса фазообразования и созданию слоистой системы. Для практического применения таких систем необходимо создать термически стабильное неоднородное распределение фаз по глубине образца. Разработка методов получения пространственно неоднородного распределения фаз, стабильного к воздействию температуры, представляет собой важную задачу. В связи с этим необходимо иметь правильное представление об особенностях термически индуцированных процессов, происходящих в слоистой системе.
Для исследования процессов диффузии и фазообразования в слоистых системах, полученных методом магнетронного осаждения, представляют интерес бинарные системы железо-бериллий и железо-алюминий. Железо является основным компонентом конструкционных материалов. Уникальные ядерные характеристики, радиационная и коррозийная стойкость, высокие температура плавления и теплопроводность обусловили широкое применение бериллия в атомной и ракетной технике. Механические свойства (прочность, пластичность, ковкость), высокие электро- и теплопроводность алюминия обусловили его широкое применение в аэрокосмической технике и автомобилестроении. Для бинарной системы железо-бериллий характерно большое разнообразие структурных и магнитных превращений. Бинарная система железо-алюминий обладает комплексом ценных физико-химических свойств: высокой теплопроводностью, твердостью, жаропрочностью и окалиностойкостью. В то же время направленность, кинетика и механизм процессов диффузии и фазовых преобразований,'* я Ч'эюмв иишшиыя:' руктура
| библиотека
" 1 ш».»*
продуктов превращений при термической обработке слоистых систем Fe-Be и Fe-Al имеют ряд особенностей и до сих пор не достаточно изучены.
Использование тонких фолы в качестве образцов при исследовании термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования имеет по сравнению с массивными образцами ряд преимуществ:
1) на порядки величин меньшие времена релаксации неравновесных процессов;
2) возможность комплексного использования неразрушающих методов исследования - мёссбауэровской спектроскопии, рентгенофазового анализа и резерфордовского обратного рассеяния нейтронов и др.;
3) возможность определения концентрации примеси и относительного содержания образующихся фаз на поверхности и в объеме образца.
С технологической точки зрения использование магнетронного осаждения позволяет создавать контролируемые по толщине покрытия.
Использование в качестве подложки железа позволяет в полной мере применять уникальные методические возможности методов мёссбауэровской спектроскопии. Комбинируя два метода мёссбауэровской спектроскопии -регистрацию у-квантов в геометрии на прохождение и регистрацию электронов конверсии в геометрии обратного рассеяния, можно получить качественную и количественную информацию о происходящих фазовых и структурных превращениях в приповерхностных слоях и объеме образца.
Цель работы.
Целью настоящей работы являлось исследование термических индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых системах железо-бериллий, железо-алюминий и железо-алюминий-бериллий методами мёссбауэровской спектроскопии с привлечением рентгенофазового анализа и их теоретическое описание.
Основные положения, выносимые на защиту.
Результаты исследования термически индуцированных процессов в слоистых системах Fe-Be, Fe-Al и Fe-Al-Be: последовательность и характерные времена фазовых преобразований в приповерхностных слоях и объеме
исследованных систем; обнаружение термической стабильности фаз в бинарной слоистой системе Fe-Be.
Коррелированные изменения дисперсии функции распределения и среднего значения эффективного магнитного поля на ядрах 57Fe в растворах а-Fe(Be) и a-Fe(Al) от времени термического отжига.
Метод определения концентрации атомов примеси замещения в растворе a-Fe по параметрам функции распределения эффективного магнитного поля на ядрах 57Fe.
Физическая модель, описывающая диффузию, фазообразование и термическую стабилизацию пространственно неоднородного структурно-фазового состояния бинарной слоистой металлической системы.
Программная реализация физической модели, позволяющая количественно описывать кинетику термически индуцированных процессов в любой области слоистой системы при произвольных режимах отжига.
Научная новизна.
Научная новизна работы определяется впервые проведенными исследованиями методами мессбауэровской спектроскопии термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых системах Fe-Be, Fe-Al и Fe-Al-Be и разработкой физической модели для количественного описания этих процессов, что позволило получить ряд важных результатов.
1. Установлена последовательность фазовых преобразований в приповерхностных слоях и объеме исследованных систем.
2. Обнаружена термическая стабильность фаз в бинарной слоистой системе Fe-Be.
3. Определены характерные времена фазовых превращений и термической стабилизации в исследуемых системах.
4. Показано, что направленность фазовых преобразований определяется изменением локальной концентрации компонентов в процессе их взаимной диффузии в исследуемых системах и соответствует особенностям фазовых диаграмм равновесных состояний бинарных систем Fe-Be и Fe-Al.
5. Предложен метод определения концентрации атомов примеси в растворе a-Fe по параметрам функции распределения эффективного магнитного
поля на ядрах 57Fe, с помощью которого определена концентрация примеси как в приповерхностных слоях, так и в объеме исследованных образцов.
6. Предложена физическая модель, описывающая диффузию, фазообразование и термическую стабилизацию пространственно неоднородного структурно-фазового состояния бинарной слоистой металлической системы.
Научная и практическая значимость.
Данные о термически индуцированных процессах диффузии и фазообразования в исследованных слоистых системах Fe-Be, Fe-Al и Fe-Al-Be, полученных с помощью магнетронного распыления, могут быть использованы при разработке методов направленной модификации приповерхностных слоев металлических материалов с целью улучшения их поверхностных свойств.
Предложенный метод определения концентрации атомов примеси в растворе a-Fe по параметрам функции распределения эффективного магнитного поля на ядрах 57Fe может быть использован при исследовании произвольных растворов внедрения на основе a-железа.
Предложенная физическая модель и созданная на ее основе компьютерная программа позволяют моделировать процессы диффузии, фазообразования и термической стабилизации в бинарных металлических слоистых системах при произвольном температурно-временном режиме термической обработки.
Личный вклад диссертанта.
Мессбауэровские исследования проведены автором совместно с сотрудниками Института ядерной физики Национального ядерного центра республики Казахстан. Автору принадлежит основная роль в обработке и анализе полученных экспериментальных данных. Автор принял непосредственное участие в разработке физической модели и создании на ее основе программы для проведения расчетов.
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы докладывались на 6 Международных конференциях:
Международных конференциях «International conference on the applications of the Mössbauer effect» (UK, Oxford - ICAME'2001; Sultanate of Oman, Muscat -
ICAME'2003), Международных конференциях «Мессбауэровская спектроскопия и ее применения» (Россия, Санкт-Петербург 2002; Russia, Ekaterinburg 2004), 8-ой Международной конференции «Физика твердого тела» (Kazakhstan, Almaty 2004), 3-ей Евразийской конференции «Ядерные исследования и их применение» (Uzbekistan, Tashkent 2004).
Публикации.
Материалы диссертации опубликованы в 8-и статьях, 3-х публикациях в материалах и 7-ми тезисах Международных конференций, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. В заключительных параграфах каждой из глав формулируются краткие итоги. Объем диссертации составляет 124 машинописные страницы, включает 46 рисунков, б таблиц и список литературы из 91 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель, научная новизна и практическая значимость работы, выдвигаются защищаемые положения.
Первая глава содержит обзор литературы по теме диссертационной работы. Представлены данные о структуре и физических свойствах сплавов в бинарных системах железо-бериллий и железо-алюминий, содержится информация по системе бериллий-алюминий и приведены диаграммы состояния этих бинарных систем.
Представлены литературные данные о сверхтонких параметрах мессбауэровских спектров ядер 57Fe, принадлежащих различным фазам исследуемых систем.
Описана феноменологическая теория Даркена с учетом эффекта Киркендалла, которая является основой для анализа экспериментальных результатов по взаимной диффузии компонентов в бинарных металлических
системах. Проанализированы температурные зависимости парциальных коэффициентов диффузии атомов железа в бериллии DFeBc, атомов бериллия в железе Овсре, атомов железа в алюминии DFeAi и алюминия в железе DA|Fe. В соответствии с этими данными, полученными в результате проведения экспериментов с массивными образцами, определены необходимые для дальнейшего теоретического описания экспериментальных данных парциальные коэффициенты диффузии.
Во второй главе приводится технология приготовления образцов, описывается метод магнетронного напыления, условия и интервалы термических отжигов исследуемых слоистых систем, а также используемые экспериментальные методы исследования.
В качестве подложки использовались тонкие фольги а-железа (89 ат.% 57Fe, общее содержание примесей менее 0.06ат.%) равномерно прокатанных до -10-11 мкм. Толщина фольги выбиралась из соображений эффективного применения методов мессбауэровской спектроскопии и рентгенофазового анализа, поскольку, комбинируя эти методы, можно получить информацию о фазовых преобразованиях в объеме и в приповерхностных слоях исследуемого образца.
Нанесение бериллия или алюминия на подложку с одной или с двух сторон проводилось методом магнетронного напыления на установке «Аргамак» при температуре 150°С. При этом толщина покрытий варьировалась в интервале значений 0,6-2,2 мкм, с точностью -5%. Для лучшей адгезии перед напылением на этой же установке подложка подвергалась травлению ионами аргона в едином вакуумном цикле.
Использовались два режима термических отжигов - последовательные изотермические отжиги при температурах 600, 650, 710 и 720°С в интервале от 0.5 до 190ч и последовательные изохронные отжиги в интервале температур 300-н900°С с временем каждого отжига 5 часов. Отжиги проводились в вакууме 5-Ю"6 мм.рт.ст. Время выхода на заданную температуру -30 минут, остывание образцов происходило вместе с печью.
Мессбауэровские спектры снимались при комнатной температуре двумя методами: регистрацией у-квантов в геометрии на прохождение (МС-спектры) и регистрацией электронов конверсии в геометрии обратного рассеяния с обеих сторон образца (КЭМС-спектрьт). Рентгенофазовый анализ проводился на дифрактометрах ДРОН-2 и D8 ADVANCE с использованием Си-Кц излучения.
Обработка экспериментальных мессбауэровских спектров проводилась методом восстановления функций распределения сверхтонких параметров парциальных спектров с помощью программы DISTRI, входящей в программный комплекс MSTools.
В третьей главе представлены результаты мессбауэровских исследований термически * индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых системах Fe-Be, Fe-Al и Fe-Al-Be.
В начале каждого параграфа приведены экспериментальные мессбауэровские спектры, которые в общем случае представляют собой совокупность парциальных спектров магнитоупорядоченного и парамагнитного типов с явно уширенными резонансными линиями (см. рис.1).
Be(0.6MKM)-Fe(l 1мкм), 1^=650°С
N,% 450300 Н 150450300150210 14070 J
КЭМС, Ве-сторона
МллАА
jdhúk
=1ч
MjjáA.
60ч
I ' 1 I 1 ' I ' 1 I 1 -9 -6 -3 0
v,mm/c
N,% 989388-
Al(2,2MKM)-Fe( 1 Омкм), Т^бОСС МС
TJWJт
= 1ч
15ч 98-
I 1 1 I 1 1 I 3 6 9
94-1
9996-
WWP
v\fmj\í»
. ~1—п . -9 -6
. 1 1 I 1 1 I -3 0 3 v,mm/c
' I 1 1 I 6 9
Рис.1. Характерные МС-спектры и КЭМС спектры ядер Ре для двухслойных систем Ве(0,6мкм)-Ре(11мкм) и А1(2,2мкм)-Ре(10мкм) после соответствующих последовательных изотермических отжигов при температурах 650°С и 600°С, соответственно.
При этом внешние компоненты парциальных спектров уширены и асимметричны сильнее, чем средние, а средние - сильнее, чем внутренние. Отмеченные особенности спектров позволили сделать вывод о том, что каждый из наблюдаемых парциальных спектров состоит из большого числа зеемановских секстетов, либо квадрупольных дублетов с близкими значениями сверхтонких параметров спектра. В связи с этим обработка и анализ всех спектров проводилась методом восстановления функций распределения сверхтонких параметров парциальных спектров. Анализ восстановленных функций распределения позволил получить значения относительных интенсивностей и параметров сверхтонких взаимодействий для всех парциальных спектров исследуемых систем. Значения сверхтонких параметров парциальных спектров - сдвиг мёссбауэровской линии 8, квадрупольное смещение е, эффективное магнитное поле в области расположения ядра Н„, позволили идентифицировать парциальные спектры.
А) Слоистые системы железо-бериллий
При исследовании слоистых систем Fe-Be использовались двухслойные системы Ве(0,6мкм)-Ре(11мкм) и Ве(1,2мкм)-Ре(11мкм), в которых средняя концентрация бериллия не превосходила предел растворимости в матрице a-Fe и трехслойная система Ве(1,0мкм)-Ре(11мкм)-Ве(1,2мкм), в которой средняя концентрация бериллия превосходила предел растворимости в a-Fe
В результате обработки и анализа парциальных МС- и КЭМС-спектров, полученных для двухслойных систем Fe-Be, выявлено, что при малых временах отжига в приповерхностном слое со стороны покрытия наблюдается в основном p-бериллид FeBe2+s (относительное содержание которого в приповерхностном слое при tora¡=0,54 составляет -93% в атомных единицах железа (рис. 2), а по всему объему образца -12%). Однако, с увеличением времени изотермического отжига происходит полное растворение Р-бериллида в матрице a-Fe, с характерными временами т представленными в таблице.
Слоистая система Т °Г Аотж> ^ т,ч
МС КЭМС
Be(0,6MKM)-Fe(l 1мкм) 650 -30 28,9±2,1
Be(0,6MKM)-Fe(l 1мкм) 710 1,9±0,3 1,6±0,3
Ве(1,2мкм)-Ре(11мкм) 720 6,2±0,4 5,3+0,3
Be(0.6MKM)-Fe(l 1мкм)
I,% 100-
Be(1.0MKM)-Fe(l 1мкм)-Ве(1.2мкм) T =720°C
КЭМС Ве-сторона
a-Fe(Be)
т=1.6±0.3ч
FeBe,.
T» 1UUT»
o -L
xn-^S.
"T 10
806040200
FeBe.
'2+5
Я i
КЭМС o - А-сторона
• - В-сторона
• а
ф
т=1.4±0.3ч
тг
о
10
20
a-Fe(Be) —
30
~1 40
Рис.2. Относительные интенсивности I парциальных КЭМС-спектров, снятых со стороны бериллиевого покрытия, для слоистых систем Ве(0,6мкм)-Fe(llmkm) и Ве(1,0мкм)-Ре(11мкм)- Ве(1,2мкм) в зависимости от длительности последовательного изотермического отжига при температурах Тотж=710°С и 720°С, соответственно.
Характерные времена т процессов фазовых превращений в слоистых системах Fe-Be, Fe-Al и термической стабилизации в слоистой системе Fe-Be определялись с помощью кинетического уравнения, описывающего изменение относительной интенсивности I парциального спектра со временем отжига t0T)K:
I(tra) = (l00-A)-
1 - exp'i
t„
+ А
1 - exp-í -
t„
(1)
Здесь А, X], т2, П| и п2 - варьируемые параметры, причем Т| и т2 • характерные времена в общем сторон двух одновременно происходящих термически индуцированных процессов.
В трехслойной системе Ве( 1,0мкм)-Ре( 11мкм)-Ве(1,2мкм) с увеличением времени изотермического отжига при температуре Тотж=720°С наблюдался процесс термической стабилизации фаз, в результате которого прекращаются все
процессы диффузии и фазообразования по всему объему образца. При этом на поверхности фаза FeBe2+s составляет примерно ~80ат.% Fe, а по всему объему образца -10% (рис. 2). Характерное время этого процесса по данным МС -toT*=1.2±0,34, а по данным КЭМС - tOTK=l,4±0,34.
Полный распад Р-бериллида FeBe2+s и термическую стабилизацию фаз в приповерхностных слоях исследованных двух- и трехслойной систем Fe-Be подтвердили проведенные рентгенофазовые исследования.
Б) Слоистые системы железо-алюминий
При исследовании слоистых систем Fe-Al использовалась двухслойная система А1(2,2мкм)-Ре(10мкм), подвергнутая изотермическому отжигу при температуре ТОТ1К=6000С со временем отжига t0Ta¡ в интервале от 1ч до 190ч.
В результате обработки и анализа МС- и КЭМС-спектров ядер 57Fe для этой системы и в соответствии с принятой кристаллохимической идентификацией парциальных спектров установлено, что в начале отжига, при tOTiK<104, сохраняется слой чистого Al на поверхности a-Fe, при этом происходит образование высоких алюминидов FeAlx, превращение FeAlx в фазу Fe3Al и фазы Fe3Al в раствор алюминия в железе a-Fe(Al) в соответствии с фазовой диаграммой (характерное время этих процессов т!=5.4±0.4ч) (рис. За). В интервале от 10ч до 40ч в приповерхностном слое образца чистый Al и высокие алюминиды полностью растворяются в железе и наблюдается процесс фазового преобразования Fe3Al в раствор a-Fe(Al), с увеличением концентрации Al в растворе. После 40ч отжига происходит только процесс выравнивания концентрации Al в растворе a-Fe(Al) по глубине образца (т2=122±8ч) (рис За)
Полученные значения среднего эффективного магнитного поля Н„ и стандартного отклонения Sp(H , для магнитоупорядоченной части парциальных МС- и КЭМС-спектров показали свое коррелированное изменение со временем изотермического отжига (рис. 36). При этом увеличению поля соответствует уменьшение стандартного отклонения.
Al(2.2MKM)-Fe(10MKM), Tora=600°C
О 40 80 120 160 200 0 40 80 120 160 200
^ота'4 *отж>4
Рис.3. Зависимости относительных интенсивностей I парциальных мессбауэровских спектров А (для атомов Fe в (FeAlx)), В (для атомов Fe в Fe3Al и a-Fe(Al) с атомами алюминия в ближайшем окружении) и С (для атомов Fe в а-Fe(Al) без атомов алюминия в ближайшем окружении и чистом a-Fe) (а), а также среднего значения поля Н„ и стандартного отклонения Sp(H , функции распределения р(Н„) эффективного магнитного поля Нп для парциального спектра В (б) от времени отжига t0T)K.
Хорошее соответствие практически линейной корреляционной зависимости дисперсии Sp(H>) функции распределения р(Н„) и среднего значения эффективного магнитного поля Нп для КЭМС-спектров двухслойной системы Fe-Al и расчетных данных (сплошная и штриховые линии), показало, что определяющей причиной изменения среднего значения поля Нп и дисперсии Sp(H i со временем отжига tora( является изменение концентрации атомов Al в
матрице a-Fe и что такое изменение можно использовать для определения средней концентрации CAi (рис. 4а). Сплошная и штриховые линии на этом рисунке проведены в предположении, что сверхтонкое магнитное поле Н„ на ядре атома железа определяется в основном первой координационной сферой и аддитивно зависит от числа расположенных на них атомов Fe.
С помощью указанного метода определены концентрации Al в растворе а-Fe(Al), которые подтвердили, что с увеличением времени изотермического отжига происходит увеличение концентрации алюминия со стороны железа и уменьшение ее со стороны покрытия (рис. 46). Эти две зависимости сходятся при tora~1704; после этого времени отжига практически прекращаются все
процессы диффузии. На этом же рисунке приведены средние по объему образца концентрации Al, которые получены с использованием параметров функций распределения парциальных МС-спектров 57Fe, принадлежащих раствору а-Fe(Al) и чистому a-Fe, при временах отжига 1отж>40ч, когда перестают фиксироваться парциальные спектры алюминидов. Эти значения лежат между данными, полученными в результате обработки КЭМС-спектров, практически не меняются со временем последовательного отжига и хорошо согласуются с расчетным значением средней концентрации атомов Al по всему объему образца, которое соответствует толщинам исходных слоев Al (2,2мкм) и Fe (Юмкм) в образце и достигается при полном растворении атомов Al в «
матрице a-Fe - C^¡=13,5±0,6%.
A1(2.2MKM)-Fe( 1 Омкм), Т_=600°С
300 310^ 320 330 0 40 80 120 160 200
Н,кЭ W.4
Рис.4. Корреляционная зависимость дисперсии 8р(Н , функции
распределения р(Нп) от среднего значения эффективного магнитного поля Н„ на ядрах 57Ре для раствора а-Ре(А1). В верхнем правом углу рисунка - взаимосвязь среднего значения поля Нп с концентрацией атомов А1 в растворе а-Ре(А1) (а). Зависимость концентрации алюминия СА| в приповерхностных слоях и объеме слоистой системы от времени изотермического отжига, полученная с помощью мессбауэровской спектроскопии (б).
В) Слоистые системы железо-алюминий-бериллий
Для исследования трехкомпонентных слоистых систем использовалась двухслойная система А125%Ве75%(2мкм)-Ре(10мкм), подвергнутая
последовательному (w=5n) изохронному отжигу в интервале от 300°С до 900°С.
С помощью предложенного метода были определены концентрации примесей в растворе a-Fe(Al,Be) в объеме образца исследуемой трехкомпонентной слоистой системы при различных температурах изохронного отжига (рис. 5а). В интервале температур от 300 до 550°С концентрация атомов примеси практически постоянна и не превышает 0.8%. Повышение температуры отжига от 600°С до 750°С привело к резкому увеличению концентрации примесей в среднем по объему до предельного значения, соответствующего полному растворению атомов Al и Ве (СдР|Ве = Сд, + С^ = 21.3 + 1.5%) в матрице a-Fe. В интервале температур 800-900°С концентрация атомов примеси практически не меняется.
Al25%Be75%(2MKM)-Fe( 1 Омкм)
1,% 400-
(б)
a-Fe(Al) a-Fe a-Fe(Be)
Т =20°С
х отж
|| I I I I I I I I I I I I I I I
64.5 65 65.5 66 Тот*,°С 2&,град
Рис.5. Концентрация атомов А1 и Ве в растворе а-Ре(А1,Ве) в объеме образца (по данным МС) (а) и фрагменты рентгеновских дифрактограмм (б) для слоистой системы А125%Ве75%(2 мкм)-Ре(10 мкм) при различных температурах последовательного изохронного отжига.
Характер изменения концентрации примесей в результате последовательного изохронного отжига в исследуемой системе не противоречит фазовым диаграммам. В подтверждение этому на рис. 5а приведены зависимости предельных концентрации атомов бериллия и алюминия от температуры, полученные по данным фазовых диаграмм бинарных систем Fe-Be и Fe-Al.
Проведенные рентгенофазовые исследования показали, что с увеличением температуры отжига, наблюдается очередность растворения напыленных компонентов в a-Fe, сначала алюминий (после отжига при 600°С наблюдается смещение рефлекса в сторону меньших углов рассеяния 29, что свидетельствует об увеличении параметра элементарной ячейки а, вследствие диффузии атомов Al в a-Fe), а затем бериллий (сдвиг той же линии при увеличении температуры отжига в сторону больших углов рассеяния говорит об уменьшении параметра а из-за замещения атомов железа атомами бериллия). При температуре отжига 900°С наблюдается практически полное совпадение дифракционных линий, что соответствует приближению к концентрационному равновесию, когда градиент концентрации примеси становится близким к нулю.
В четвертой главе приведено описание предложенной нами физической модели процессов диффузии и фазообразования в бинарных слоистых металлических системах А-В. Основные положения модели:
1) локальная концентрация CA>B(x,t) (CA(x,t)+CB(x,t)=l) компонентов А и В на глубине образца с координатой х в произвольный момент времени t определяется процессом взаимной диффузии атомов;
2) парциальные коэффициенты диффузии DA,B компонентов А и В друг в друге не зависят от фазово-структурного состояния образца;
3) скорость фазообразования намного превосходит скорость диффузии;
4) результат фазообразования определяется локальной концентрацией компонентов и диаграммой равновесных состояний бинарной системы:
- если локальная концентрация C(x,t) попадает в область гомогенности одной из фаз - C(x,t)e[Cmm,Cmax]a,p, то образуется только эта фаза;
- если локальная концентрация соответствует двухфазной области на
диаграмме состояний - C(x,t)e[Cmin,Cmax]a+p, то происходит одновременное
образование обеих фаз в количественном отношении, определяемом
« C(x,t)-Cp „ С° -C(x,t) a р правилом рычага - р = ^—>Р = ~~^—^¡Г^ (С >С - предельные
концентрации компонентов в а- и (5-фазе).
-17В соответствии с феноменологической теорией взаимной диффузии Даркена, и принимая во внимание, что в случае слоистых систем концентрации и коэффициент взаимной диффузии зависят только от одной пространственной координаты х, уравнение диффузии можно записать в виде'
ЭСдл(х,0 = аР(х,р ЭСАЗ(Х,0 5гСЛВ(х,0
91 Эх Эх Эх2 '
Для решения этого дифференциального уравнения граничные условия определялись отсутствием потоков компонентов на границах слоистой системы ЭСА>в(х,1)
Эх
„ ЭСа,В(М) = 0 и-—
Эх
= 0,
x»d
а начальные условия соответствовали толщине наносимого покрытия CA(t = 0,0<x<dA)=l,CA(t = 0,dA ^x<d = dB +dA)=0.
Для однофазных областей (а- или р-фазы) слоистой системы согласно закону Даркена коэффициент взаимной диффузии в бинарной системе равен-
D(CA(x,t)) = DACB(x,t) + DBCA(x,t) = DA(l-CA(x,t)) + DBCA(x,t). (3)
Здесь Da b - парциальные коэффициенты диффузии компонентов А и В друг в друге, которые в соответствии с предлагаемой нами физической моделью (п 2) не зависят от фазово-структурного состояния образца, а следовательно от координаты х и времени t.
Для двухфазной области (совокупности а- и р~фаз) слоистой системы необходимо учесть наличие межфазной границы. В связи с этим нами предложен механизм взаимной диффузии в двухфазной области слоистой бинарной системы, в соответствии с которым диффузия происходит только по непрерывным каналам, образованным частицами одной (а- или Р-) фазы.
Пусть в двухфазной области слоистой системы образуются частицы обеих фаз одинакового линейного размера X. Тогда в двухфазной области, в j-ом слое с координатой Xj=Xa+j-X (см. рис.6), образуются частицы a-фазы с вероятностью р", определяемой по правилу рычага. Вероятность образования непрерывных
каналов a-фазы длиной, превышающей xj-xa, по которым происходит взаимная диффузия компонентов от однофазной области вплоть до j-ro слоя:
-18-
W;=£P,\
где m — число слоев в двухфазной области, определяемое линейным размером частиц и шириной двухфазной области (см. рис.6), Р" = [~[рГ '(' ~ P"*i) "
i-i
вероятность образования канала со стороны однофазной области a-фазы до j-ro слоя включительно, с учетом того, что образование фаз в различных слоях происходит независимо друг от друга.
а
а+Р
Р
О
i
Х<х
Хр
Рис.6. Схематическое изображение каналов взаимной диффузии, образованных зернами одной фазы в двухфазной области слоистой системы.
В результате эффективный коэффициент взаимной диффузии в двухфазной области на глубине xJ равен:
В(х,) = Б°(х,) + ^(х,) =
= (0АС» +Вв(1-С°Ж° +(0АСд +Вв(1-Срв)^;. (5)
Здесь 0°(х;) и Ор(х;) - коэффициенты взаимной диффузии компонентов по
каналам, образованным частицами а- и Р-фазы, соответственно.
На основе предложенной модели создана программа, основные функциональные возможности которой следующие:
• предусмотрено наличие трех фаз и двух двухфазных областей на фазовой диаграмме бинарной системы;
• произвольный температурно-временной режим термической обработки;
• определение локальной концентрации компонентов и относительного содержания фаз на любой глубине слоистой системы и на любом этапе термической обработки;
• определение относительных интенсивностей парциальных МС- и КЭМС-спектров.
С помощью программы проведены расчеты термически индуцированных процессов в бинарных слоистых системах Fe-Be, которые хорошо согласуются с экспериментальными мессбауэровскими данными (рис. 7). 1,% 1,%
Рис.7. Зависимости относительных интенсивностей I парциальных КЭМС-спектров для слоистых систем Ве(0.6 MKM)-Fe(ll мкм) (а) и Ве(1.0мкм)-Fe(ll мкм)-Ве(1.2 мкм) (б) от времени t^ последовательного изотермического отжига. Кружками показаны экспериментальные данные, сплошными линиями -результаты расчета.
Основные результаты и выводы.
Впервые методами мессбауэровской спектроскопии на ядрах 57Fe с привлечением рентгенофазового анализа проведены исследования термически индуцированных процессов диффузии и фазовых превращений в слоистых системах железо-бериллий, железо-алюминий и железо-алюминий-бериллий. В результате проведенных исследований:
1) установлена последовательность фазовых преобразований в приповерхностных слоях и объеме исследованных систем;
2) обнаружена термическая стабильность фаз в слоистой системе Fe-Be, в которой средняя концентрация атомов бериллия превосходит предел
растворимости в железе, при этом на поверхности системы содержится в основном (5-бериллид FeBe2+5, а в объеме - насыщенный раствор a-Fe(Be);
3) определены характерные времена фазовых превращений в слоистых системах Fe-Be, Fe-Al и термической стабилизации в бинарной слоистой системе Fe-Be;
4) показано, что направленность фазовых преобразований определяется изменением локальной концентрацией компонентов в процессе их взаимной диффузии в исследуемых системах и соответствует особенностям фазовых диаграмм равновесных состояний бинарных систем Fe-Be и Fe-Al;
5) предложен метод определения концентрации атомов примеси замещения в растворе a-Fe по параметрам функции распределения сверхтонкого магнитного поля на ядрах 57Fe, с помощью которого определена концентрация примеси как в приповерхностных слоях, так и в объеме исследованных образцов.
Для количественного описания термических индуцированных процессов диффузии и фазовых превращений в бинарных слоистых металлических системах:
1) предложена физическая модель, описывающая диффузию, фазообразование и термическую стабилизацию пространственно неоднородного структурно-фазового состояния системы;
2) осуществлена программная реализация модели, позволяющая количественно описывать кинетику термически индуцированных процессов в любой области слоистой системы при произвольных режимах отжига.
На основе предложенной модели получено хорошее соответствие результатов теоретических расчетов с результатами проведенных мессбауэровских исследований бинарных слоистых систем, подвергнутых термическим отжигам.
Основные публикации по теме диссертации.
1. Kadyrzhanov К.К., Rusakov V.S., Turkebaev Т.Е., Vereshcak M.F., Kerimov E.A., Lysitsin V.N., Tuleushev Yu.Yu., Plaksin D.A.. Mossbauer study of thin iron film beryllization // International Conference on the Applications of the Mossbauer Effect. ICAME2001. Oxford UK. Programme and Abstracts. T9 8. P.118.
2. Kadyrzhanov K.K., Rusakov V.S., Turkebaev Т.Е., Kerimov E.A., Plaksin D.A. Mossbauer Study of Thin Iron Film Beryllization. // Hyp. Int. 2002. V.141-142. №1-4. P.453-457.
3. Кадыржанов K.K., Русаков B.C., Туркебаев Т.Э., Керимов Э.А., Плаксин Д.А. Исследование диффузии и фазовых превращений в слоистых системах железо-бериллий. // VIII Международная конференция "Мессбауэровская спектроскопия и ее применения". Санкт-Петербург 2002. Тезисы докладов.
C.106.
4. Kadyrzhanov К.К., Rusakov V.S., Suslov Е.Е., Plaksin D.A., Turkebaev Т.Е., Vereschak M.F. Mossbauer investigations of laminar system Fe-Al at thermal annealing. // International Conference on the Applications of the Mossbauer Effect. Muscat, Sultanate of Oman. ICAME'2003. T9/3.
5. Кадыржанов K.K., Керимов Э.А., Плаксин Д.А., Русаков B.C., Туркебаев Т.Э. Мёссбауэровские исследования фазообразования в слоистых системах железо-бериллий. // Поверхность. 2003. №8. С.74-78.
6 Верещак М.Ф., Кадыржанов К К., Плаксин Д.А., Русаков B.C., Суслов Е.Е., Туркебаев Т.Э. Мессбауэровские исследования слоистой системы железо-алюминий. // Вестник КазГУ. 2003. №2 (15). С.94-100.
7. Кадыржанов К.К., Туркебаев Т.Э., Суслов Е.Е., Русаков B.C., Плаксин Д.А. Исследования методом мессбауэровской спектроскопии термически индуцированных фазовых превращений в слоистой системе железо-алюминий. //Изв. НАНРК. Сер. физ. мат. 2003. № 6. С.163-167.
8. Кадыржанов К.К., Туркебаев Т.Э., Русаков B.C., Плаксин Д.А., Жанкадамова A.M., Кислицин С.Б., Енсебава М 3. Компьютерное моделирование механизма термической стабилизации слоистых систем железо-бериллий. //Вестник НЯЦ РК. 2003. №4. С.32-38.
9. Kadyrzhanov К.К., Rusakov V.S., Turkebayev Т.Е., Zhankadamova A.M., Plaksin
D.A. Kinetics of phase transformations in thin foils with coatings produced by the methods of ion-plasma deposition // Eurasian «Nuclear bulletin», №2, 2003, P.69-73.
10.Кадыржанов K.K., Туркебаев Т.Э., Русаков B.C., Плаксин Д.А., Жанкадамова A.M.. Численные расчеты температурно индуцированных диффузии и фазовых превращений в слоистых системах. // Известия HAH РК. Серия физико-математическая- 2003. №6. С.175-178.
П.Русаков B.C., Кадыржанов К.К., Суслов Е.Е., Плаксин Д.А., Туркебаев Т.Э. Термически индуцированные фазовые преобразования в слоистой системе Fe-Al. // Поверхность. 2004. №12. С.22-30.
12. Суслов Е.Е., Русаков B.C., Кадыржанов К.К., Плаксин Д.А., Туркебаев Т.Э., Слюсарев А.П. Термически индуцированные фазовые превращения в слоистой системе железо-алюминий. // IX International Conference Mossbauer Spectroscopy and Its Applications. Abstracts. Ekaterinburg, Russia, 2004. P.65.
13. Кадыржанов K.K., Туркебаев Т.Э., Русаков B.C., Плаксин Д.А, Жанкадамова A.M. Компьютерное моделирование термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в бинарных слоистых системах. 8-th International conference "Solid State Physics". 2004. Almaty, Kazakhstan. Abstracts. P.447-448.
14. Суслов E.E., Туркебаев Т.Э., Русаков B.C., Плаксин Д.А., Антонюк В.И., Кадыржанов К.К. Термически индуцированные фазовые превращения в
слоистой системе железо-аллюминий-бериллий. 8-th International conference "Solid State Physics". 2004. Almaty, Kazakhstan. Abstracts. P.450-451.
15.Kadyrzhanov K.K., Turkebaev Т.Е., Rusakov Y.S., Plaksin D.A., Zhankadamova A.M., Ensebaeva M.Z. Computer simulation of thermally induced process in laminar systems. // The thied Eurasian conference "Nuclear science and its application", Tashkent, Usbekistan, 2004. Book of abstracts. C.53-54.
16.Kadyrzhanov K.K., Rusakov V.S., Turkebaev Т.Е., Zhankadamova A.M., Plaksin D.A. Theoretical description of diffusion and phase transformations in binary lamellar systems // 8-th International Conference "Solid State Physics", August 23-26, 2004, Almaty, Kazakhstan, v. 1 - Plenary reports, p. 155-174.
17 Kadyrzhanov K.K., Rusakov V.S., Tuikebaev Т.Е., Plaksin D A , Zhankadamova A.M. Computer simulations of thermally induced diffusion and phase formation processes in binary lamellar system Fe-Be // 8-th International Conference "Solid State Physics", August 23-26, 2004, Almaty, Kazakhstan, v.l - Mossbauer spectroscopy of locally heterogeneous systems, p.242-255.
18. Суслов E.E., Плаксин Д.А., Жубаев A.K., Антонюк В.И., Русаков B.C., Туркебаев Т.Э., Кадыржанов К.К. Термически индуцированные фазовые превращения в слоистой системе железо-аллюминий-бериллий. // 8-th International Conference "Solid State Physics", August 23-26, 2004, Almaty, Kazakhstan, v.l - Mossbauer spectroscopy of locally heterogeneous systems, p.408-417.
i
I
«8- 98 58
РНБ Русский фонд
2006-4 6059
Подписано в печать 06.05.2005 г. Усл.печ.л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 179.
Отпечатано в МГУ
ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.
§ 1. Структура и физические свойства фаз в бинарных металлических системах.
1.1. Система железо-бериллий.
1.2. Система железо-алюминий.
1.3. Система бериллий-алюминий.
§2. Мессбауэровские исследования бинарных систем.
2.1. Система железо-бериллий.
2.2. Система железо-алюминий.
§3. Диффузия в бинарных металлических системах.
3.1. Феноменологическая теория диффузии Даркена.
3.2. Закон Аррениуса и коэффициенты диффузии.
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА.
§1. Приготовление образцов.
§2. Мессбауэровская спектроскопия.
2.1. Спектрометр и методы регистрации спектров.
2.2. Основные параметры мессбауэровского спектра.
2.3. Метод восстановления функций распределения сверхтонких параметров парциальных спектров.
§3. Рентгеновский фазовый анализ.
ГЛАВА 3. МЕССБАУЭРОВСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКИ ИНДУЦИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ В СЛОИСТЫХ СИСТЕМАХ
Fe-Be, Fe-Al и Fe-Al-Be.
§1. Слоистые системы железо-бериллий.
1.1. Процессы диффузии и фазообразования в слоистой системе Fe-Be.
1.2. Термическая стабилизация в слоистой системе Be-Fe-Be.
§2. Слоистые системы железо-алюминий.
2.1. Процессы диффузии и фазообразования в слоистой системе Fe-Al.
§3. Диффузия и фазообразование в трехкомпонентной слоистой системе
Fe-Al-Be.
Краткие итоги.
ГЛАВА 4. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ ДИФФУЗИИ И ФАЗООБРАЗОВАНИЯ В БИНАРНЫХ СЛОИСТЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
СИСТЕМАХ.
§ 1. Физическая модель и ее программная реализация.
§2. Сравнение теории и эксперимента.
§3. Моделирование процессов диффузии и фазообразования.
Краткие итоги.
Актуальность темы.
Для направленной модификации приповерхностных слоев металлических материалов с целью улучшения их поверхностных свойств широко применяются методы ионно-плазменного нанесения покрытий. При магнетронном осаждении используется последующая термическая обработка материала, приводящая к улучшению адгезии покрытия с подложкой, образованию и гомогенизации фаз в диффузионной зоне. Исходное неравновесное пространственное распределение атомных компонентов и последующий термический отжиг приводят к пространственной направленности процесса фазообразования и созданию слоистой системы. Для практического применения таких систем необходимо создать термически стабильное неоднородное распределение фаз по глубине образца. Разработка методов получения пространственно неоднородного распределения фаз, стабильного к воздействию температуры, представляет собой важную задачу. В связи с этим необходимо иметь правильное представление об особенностях термически индуцированных процессов, происходящих в слоистой системе.
Для исследования процессов диффузии и фазообразования в слоистых системах, полученных методом магнетронного осаждения, представляют интерес бинарные системы железо-бериллий и железо-алюминий. Железо является основным компонентом конструкционных материалов. Уникальные ядерные характеристики, радиационная и коррозийная стойкость, высокие температура плавления и теплопроводность обусловили широкое применение бериллия в атомной и ракетной технике. Механические свойства (прочность, пластичность, ковкость), высокие электро- и теплопроводность алюминия обусловили его широкое применение в аэрокосмической технике и автомобилестроении. Для бинарной системы железо-бериллий характерно большое разнообразие структурных и магнитных превращений. Бинарная система железо-алюминий обладает комплексом ценных физико-химических свойств: высокой теплопроводностью, твердостью, жаропрочностью и окалиностойкостью. В то же время направленность, кинетика и механизм процессов диффузии и фазовых преобразований, а также локальная структура продуктов превращений при термической обработке слоистых систем Fe-Be и Fe-Al имеют ряд особенностей и до сих пор не достаточно изучены.
Использование тонких фолы в качестве образцов при исследовании термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования имеет по сравнению с массивными образцами ряд преимуществ:
1) на порядки величин меньшие времена релаксации неравновесных процессов;
2) возможность комплексного использования неразрушающих методов исследования — мёссбауэровской спектроскопии, рентгенофазового анализа и резерфордовского обратного рассеяния нейтронов и др.;
3) возможность определения концентрации примеси и относительного содержания образующихся фаз на поверхности и в объеме образца.
С технологической точки зрения использование магнетронного осаждения позволяет создавать контролируемые по толщине покрытия.
Использование в качестве подложки железа позволяет в полной мере применять уникальные методические возможности методов мёссбауэровской спектроскопии. Комбинируя два метода мёссбауэровской спектроскопии - регистрацию у-квантов в геометрии на прохождение и регистрацию электронов конверсии в геометрии обратного рассеяния, можно получить качественную и количественную информацию о происходящих фазовых и структурных превращениях в приповерхностных слоях и объеме образца.
Цель работы.
Целью настоящей работы являлось исследование термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых системах железо-бериллий, железо-алюминий и железо-алюминий-бериллий методами мессбауэровской спектроскопии с привлечением рентгенофазового анализа и их теоретическое описание.
Основные положения, выносимые на защиту.
Результаты исследования термически индуцированных процессов в слоистых системах Fe-Be, Fe-Al и Fe-Al-Be: последовательность и характерные времена фазовых преобразований в приповерхностных слоях и объеме исследованных систем; обнаружение термической стабильности фаз в бинарной слоистой системе Fe-Be.
Коррелированные изменения дисперсии функции распределения и
C'J среднего значения эффективного магнитного поля на ядрах Fe в растворах a-Fe(Be) и a-Fe(Al) от времени термического отжига.
Метод определения концентрации атомов примеси замещения в растворе a-Fe по параметрам функции распределения эффективного магнитного поля на ядрах 57Fe.
Физическая модель, описывающая диффузию, фазообразование и термическую стабилизацию пространственно неоднородного структурно-фазового состояния бинарной слоистой металлической системы.
Программная реализация физической модели, позволяющая количественно описывать кинетику термически индуцированных процессов в любой области слоистой системы при произвольных режимах отжига.
Научная новизна.
Научная новизна работы определяется впервые проведенными исследованиями методами мессбауэровской спектроскопии термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых системах Fe-Be, Fe-Al и Fe-Al-Be и разработкой физической модели для количественного описания этих процессов, что позволило получить ряд важных результатов.
1. Установлена последовательность фазовых преобразований в приповерхностных слоях и объеме исследованных систем.
2. Обнаружена термическая стабильность фаз в бинарной слоистой системе Fe-Be.
3. Определены характерные времена фазовых превращений и термической стабилизации в исследуемых системах.
4. Показано, что направленность фазовых преобразований определяется изменением локальной концентрации компонентов в процессе их взаимной диффузии в исследуемых системах и соответствует особенностям фазовых диаграмм равновесных состояний бинарных систем Fe-Be и Fe-Al.
5. Предложен метод определения концентрации атомов примеси в растворе a-Fe по параметрам функции распределения эффективного магнитного поля на ядрах 57Fe, с помощью которого определена концентрация примеси как в приповерхностных слоях, так и в объеме исследованных образцов.
6. Предложена физическая модель, описывающая диффузию, фазообразование и термическую стабилизацию пространственно неоднородного структурно-фазового состояния бинарной слоистой металлической системы.
Научная и практическая значимость.
Данные о термически индуцированных процессах диффузии и фазообразования в исследованных слоистых системах Fe-Be, Fe-Al и Fe-Al-Be, полученных с помощью магнетронного распыления, могут быть использованы при разработке методов направленной модификации приповерхностных слоев металлических материалов с целью улучшения их поверхностных свойств.
Предложенный метод определения концентрации атомов примеси в растворе a-Fe по параметрам функции распределения эффективного магнитного поля на ядрах 57Fe может быть использован при исследовании произвольных растворов внедрения на основе а-железа.
Предложенная физическая модель и созданная на ее основе компьютерная программа позволяют моделировать процессы диффузии, фазообразования и термической стабилизации в бинарных металлических слоистых системах при произвольном температурно-временном режиме термической обработки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Основные результаты и выводы
Впервые методами мессбауэровской спектроскопии на ядрах 57Fe с привлечением рентгенофазового анализа проведены исследования термически индуцированных процессов диффузии и фазовых превращений в слоистых системах железо-бериллий, железо-алюминий и железо-алюминий-бериллий. В результате проведенных исследований:
1) установлена последовательность фазовых преобразований в приповерхностных слоях и объеме исследованных систем;
2) обнаружена термическая стабильность фаз в слоистой системе Fe-Be, в которой средняя концентрация атомов бериллия превосходит предел растворимости в железе, при этом на поверхности системы содержится в основном p-бериллид FeBe2+s, а в объеме - насыщенный раствор a-Fe(Be);
3) определены характерные времена фазовых превращений в слоистых системах Fe-Be, Fe-Al и термической стабилизации в бинарной слоистой системе Fe-Be;
4) показано, что направленность фазовых преобразований определяется изменением локальной концентрацией компонентов в процессе их взаимной диффузии в исследуемых системах и соответствует особенностям фазовых диаграмм равновесных состояний бинарных систем Fe-Be и Fe-Al;
5) предложен метод определения концентрации атомов примеси замещения в растворе a-Fe по параметрам функции распределения сверхтонкого магнитного поля на ядрах 57Fe, с помощью которого определена концентрация примеси как в приповерхностных слоях, так и в объеме исследованных образцов.
Для количественного описания термических индуцированных процессов диффузии и фазовых превращений в бинарных слоистых металлических системах:
1) предложена физическая модель, описывающая диффузию, фазообразование и термическую стабилизацию пространственно неоднородного структурно-фазового состояния системы;
2) осуществлена программная реализация модели, позволяющая количественно описывать кинетику термически индуцированных процессов в любой области слоистой системы при произвольных режимах отжига.
На основе предложенной модели получено хорошее соответствие результатов теоретических расчетов с результатами проведенных мессбауэровских исследований бинарных слоистых систем, подвергнутых термическим отжигам.
1. Oesterheld G. «User die legierungen des berylliums mit Aluminium, Kupfer, Silber and Eisen» // Z. anord. U.Alldem. Chem. 1916. Bd 97, S. 14.
2. Бочвар A.M., Трапезников A.K. «Бериллий и его сплавы» // Москва. ГНТИ. 1931.
3. Папиров И.И. «Структура и свойства сплавов бериллия.» // М., Энергоиздат 1981. 368с.
4. Кубашевский О. «Диаграммы состояния двойных систем на основе железа.» // М., Металлургия 1985. 182с.
5. Папиров И.И. «Бериллий в сплавах.» // Справочник. Москва, "Энергоатомиздат", 1986, 184с.
6. Teitel R.J., Cohen М. «The Beryllium-Iron System.» // Trans. Met. Soc. AIME. 1949. V.185. P.285-296.
7. Кузьмин P. H., Лосиевская С. А. «Изучение атомного порядка в сплавах Fe-Al с помощью эффекта Мессбауэра» // Физика металлов и металловедение. 1970. Т.29. В.З. С.569-577.
8. L. Cser and L. Naszodi. Relationship between electron density distribution andatomic jrder in Fe-Al and Fe-Si alloys. // Phys. Status Solidi В 92, K55-6, 1979.
9. E.H. Власова, Н.Б. Дьяконова. Модель ближнего порядка твердыхрастворов Fe-Al. // ФММ, 1986, том.61. вып. 3.
10. R.A. Dunlap, D. Lloyd and I.A. Christie. Physical properties of rapidly quenched of Al-Fe alloys. //J. Phys. F., 1988, № 7, C. 1329-1341.
11. K. Swiderczak. Magnetic phase diagrams of FeixAlx concentrated spin glass alloys. // Phys. Scr., 1988, 38 № 6, p. 885-888.
12. S.R. Teixeira, P.L. Freire and I.J.R. Baumvol. Reaction and stability in a thin iron-aluminum bilayered system. // Appl. Phys, 1989, A 48 (5), p. 481-488.
13. F. Bonetti, S. Enzo, G. Sherveglieri, G. Valdre and S. Geoppelli. Microstructural characterization of Fe-Al thin films. // Thin Solid Films, 1991, p.294.
14. R.M. Housles and J.G. Dash. «Mean-square displacement of dilute iron impurity atoms in high-purity beryllium and copper.» // Physical review, 1964, Vol.136, № 2A, p.A464-A466.
15. C.Janot, P.Delcroix and M.Piecuch. «Properties of iron impurities in beryllium from Mossbauer studies.» // Physical review B, 1974, Vol. 10, № 7, p.2661-2668.
16. Keizo Ohta. «Mossbauer Effect and Magnetic Properties of Iron-Beryllium Compounds.»// Journal of Applied Physics. V.39. N.4. 1968 P.2123-2126.
17. Алексеев Л.А., Бабикова Ю.Ф., ГладковВ.П., Зотов B.C., Кондарь В.И., Скоров Д.М. «Изучение сплавов системы Be-Fe-C методом ядерного гамма-резонанса». //Атомная энергия. 1973. Т.35. В.З. с.173-174
18. Yagisava К. «The Mossbauer Studies of the Decomposition and Ordering in Fe-23 at%Be Alloy Aged at 300°C.» // Phys. Stat. Sol. (a) 1973. V.18. P.589-596.
19. Yagisava K. «The Mossbauer Studies of Fe-23 at%Be Alloy Aged above 400°C.» // Phys. Stat. Sol. (a) 1973. V.16. P.291-297.
20. Gupta S., Lai K.B., Srinivasan T.M., Rao G.N. «Mossbauer Studies of Fe-Be, Fe-Nb, Fe-Ru, Fe-Te, and Fe-Ir Alloys.» // Phys. Stat. Sol. (a) 1974. V.22. P.707.
21. J.P. Schiffer, P.N. Parke and J. Heberle. «Mossbauer effect for 57Fe in beryllium, copper, tungsten and platinym.» // Physical review, 1964, Vol. 133, № 6A, p. A1553-A1557.
22. Ю.М. Останевич и др. «Эффект Мессбауэра в сплаве FeAl.» // Препринт. 1966. ОИЯИ Дубна.
23. Huffman G.P., Ficher R.M. «Mossbauer Studies of Ordered and Cold-Worked Fe-Al Alloys Containing 30 to 50 at. % Aluminium.» // Journal of Applied Physics, 1967. V.38. №2. P.735-742.
24. Грузин П.Л., Мкртчян B.C., Родионов Ю.Л., Селисский Я.П., Хачатрян М.Х. «Влияние германия на структурные изменения сплавов железо-алюминий.» // Физика метало и металловедение. 1972, Том 34, Вып.2 стр.316-321.
25. L. Murgas, S. Nagy, Z. Homonnay, A. Vertes, J. Lakner. Mossbauer investigation of Al-Fe and Al-Fe-Si intermetallic phase in aluminium. //
26. M. Shiga and Y. Nakamura. «Mossbauer studies of bee Fe-Al alloys near the critical concentration.» // Journal of the physical society of Japan, 1976, Vol.40, №5, p. 1295-1299.
27. Ю.С. Нечаев, В.Г. Леонтьев, B.B. Истомин, Н.Г. Крашенинникова. «Особенности вторичных закалочных дефектов в твердых растворах железа в алюминии.» // Изв. Вуз. Физика, 1980, 6.81, с.46-50.
28. В.В. Овчинников, Н.А. Первухин, Б.В. Рыженко, Ф.А. Сидоренко, П.В. Гельд. Сверхтонкая структура ЯГР спектров и анализ упорядочения Fe-Al сплавов методом восстановления функций плотности. // Физика твердого тела, 1981, Том 23, с. 10.
29. Sh.Sh. Ibragimov, М.К. Skakov and V.D. Melikhov. «Anomalos behavior of the previously irradiated Fe3Al alloys at phase transitions.» // Radiation Effects, 1982, Vol. 66, p. 73-77.
30. G.S. Collins, A.R. Chowdhury and C. Hohenemser. «Mossbauer measurements of static critical behavior in disordered FeAl alloys.» // Phys.Rew B, 1982, Vol. 26, № 9.
31. V.P.Godbole, S.M. Chaudhari, S.V. Ghaisas, S.M. Kanerkar and S.B. Ogale. «Interface-sensitive conversion-electron Mossbauer study of ion-beam mixing at the Fe-Al interface.» // Physical review B, 1985, Vol. 31, № 9, p.5704-5711.
32. Schurer P.J., Koopmans В. «А study of amorphous, quasi crystalline and crystalline Al-Fe alloys by mossbauer-effect and diffraction techniques.» //Solid State Communications, Vol.59, No.9, pp.619-623, 1986.
33. F. Woude, P.J. Shcurer. A study of quasi-ciystalline Al-Fe alloys by Mossbauer-effect spectroscopy and diffraction techniques. // Can J.Phys., 1987, 65, №65, p. 1307-1308.
34. S.R. Teixeira, C.A. Santos, P.H. Dionisio, W.H. Schreiner. Interdiffusion and reaction in the Fe-Al bilayer 3 Phase characterisation of furnace anealed samples. // Mater. Sci. and Eng., 1987, 96, p. 258-293.
35. Y.S. Nechaev, M.H. Yewondwossen. Interpretation of the anomalies of transition impurity diffusion in aluminum. // J. Phys. F.Metal Phys., 1987, 17, №5, p. 1081-1092.
36. Трусов JI.И., Новиков В.И., Релушко П.Ф. и др. «Превращения в ансамбле малых частиц Fe и А1 при сдвиговой деформации.» // Металлофизика. 1988. Т.10. №6. С.59-63.
37. Г.Н. Эпштейн, И.А. Могилевский, С.Ю. Колесников. Мессбауэровское исследование фазового состава переходной зоны биметалла Fe-Al. // ФММ, 1988, Том 65, вып. 5.
38. Т. Naohara, К. Shinohara, Т. Nakamura. Microstructure and soft magnetic properties of rapidly solidified Fe-Al alloys. // Mater. Sci. And Engin., 1988, 99, C. 91-94.
39. Gupta A., M.E. Jayaraj. «Mossbauer study of Al-Fe decagonal phase» // Physikal review B, 1989, Volume 39, № 12, p. 38-40.
40. M.A.Z. Vasconcellos, S.R. Teixeira, P.H. Dionisio, W.H. Schreiner andcn
41. J.R. Baumvol. « Fe cems characterization of iron-aluminum thin-film alloys.» // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 1989, A280, p.557-563.
42. H. Reuther and K. Richter. Cems study on aluminum implanted iron. // Phys. Res, 13, 1990, p. 460-462.
43. H. Reuther. Cems study of the structure and the annealing behavior of aluminum implanted iron. // Nucl. Instrum. Metods. phys. Res., Sect., 1991, В 53 (2), p. 167-172.
44. J. Bodo, P. Delcroix, J. Ousset, M. Francoise and M. Piecuch. Magnetic properties of sputtered Fe/Al multilayers. // J. Magn. Magh. Mater, 1991, 93, p. 452-456.
45. M.A.Z. Vasconcellos and J.A.T. Bordes da Costa. A mossbauer study on the ion-beam-induced phases in the Fe/Al thin film bilayer. // Hyperfine interact., 1991,66(1-4), p.331-337.
46. H. Reuther, O. Nikolov, S. Kruijer, R. Brand and W. Keune. // High dose implantation of aluminium into iron. // Nucl. Instrum. Methods phys. Res., sect., 1993, В 80-1 (1), p. 348-351.
47. V.G. Shadrov, T.M. Tkachenko, A.V. Boltushkin and A.V. Semeshko. Mossbauer study of Fe and Fe-Co electrodeposited alumite films. // Phys. Status, 1994, A 141 (1), K51-3.
48. Carbucicchio M., Rateo M., Ruggiero G. and Turilli G. «Interfacial phenomena and magnetic properties of Fe/Al multilayers of different thickness» // Hyperfine Intercrions 113 (1998) p.303-309.
49. Гуров К.П., Карташкин Б.А., Угасте Ю.Э. Взаимная диффузия в многофазных металлических системах. М.: Наука. 1981. 350с.
50. Donze G., Le Hazif R., Maurice F. e.a. Diffusion et sulubilite du fer dans le beryllium. // C.R. Acad. Sci. 1962. V.254. P.2328-2330.
51. Naik M.C., Dupony J.M., Adda Y. Diffusion of iron and silver in beryllium. //Mem. Sci. Rev. Met. 1966. V.63. P.1034-1042.
52. Григорьев Г.В., Павлинов JI.B. Диффузия бериллия в железе и никеле. // ФММ. 1968. Т.25. С.836-839.
53. Гладков В.П., Шабалин А.Н. и др. Отчет Моск.инж.-физ.Ин-та, №743-96, 1976.
54. Акимова И.А., Миронов В.М., Покоев А.В. Диффузия алюминия в железе. ФММ, 1983, 56, №6, с 1225-1227.
55. Ларионов Л.Н., Гейченко В.В., Фальченко В.М. Диффузионные процессы в упорядоченных сплавах.- Киев. Наук. Думка. 1975.-214с.
56. Кадыржанов К.К и др. // Алма-Ата, 1992, 36с.
57. Кадыржанов К.К., Туркебаев Т.Э., Удовский А.Л. //Алма-Ата: «Принт». 1992.-195с.
58. Кадыржанов К.К. и др. // Препринт ИЯФ НЯЦ РК. Алматы, 1994.
59. Fano U., Annu.Rev.Nucl.Sci., 1963, 13, р. 1-66.
60. Chu Wei-Kan, Mayer J.W., Nicolet Marc-A., Backscattering spectrometry, Academic Press, New York, 1978.
61. Weber A., Fazly Q., Mommsen H., Nucl.Instr. and Meth., В., 1984, 271, p. 79-87.
62. Ziegler J.F., Biersack J.P., The stopping and range of ions in solids, Pergamon Press, New York, 1985.
63. Doolittle L.R., Nucl. Instr. and Meth., B9 (1985), p. 344.
64. Doolittle L.R., Nucl. Instr. and Meth., B15 (1986), p. 227.
65. H.D. Young, "Statistical treatment of experimental data", Waveland Press, Inc, 1996.
66. D.E.Arafah, Analysis by Rutherford backscattering spectrometry, University of Jordan, Amman, 1997.
67. Golubev V.P., Ivanov A.S., Nikiforov C.F., Kadyrzhanov K.K. // In Proc. 2nd EPAC. Nice, France, 1990. P.1852.
68. Arzumanov A.A., Borisenko A.N., Gorlachev I.D., Lysukhin S.N. //Proceed. Of the XIII particle acceleration conference. Dubna. Russia, v. 1.p. 118-121. Moscow.
69. Иркаев C.M., Кузьмин P.H., Опаленко A.A. Ядерный гамма-резонанс. -М.: Из-во Моск. ун-та, 1970.
70. Новакова А.А., Кузьмин Р.Н. Мессбауэровская конверсионная спектроскопия и ее применения. М.: Изд-во Моск. Ун-та. 1989. - 72с.
71. Белозерский Г.Н. Мессбауэровская спектроскопия, как метод исследования поверхности. М.: Энергоатомиздат. 1990. - 352с.
72. Николаев В.И., Русаков B.C. Мессбауэровские исследования ферритов. М: Изд-во Моск. Ун-та. 1985. - 224с.
73. Русаков B.C., Храмов Д.А. //Изв. PAH-1992.-T.56.-N7.-C.201.
74. Rusakov V.S., Chistyakova N.I. Moosbauer Program Complex MSTools -LAKAME'92, Buenos Aires, Argentina, 1992. № 7-3.
75. Rusakov V.S., ChistyakovaN.L, Khramov D.A. Software Toots for Mossbauer Spectroscopy of Mineral Systems. ISIAME'92, Otsu, Japan, 1992, 25p-7.
76. Русаков В. С. Возможности и перспективы развития пакета программ GAMMA: персональный компьютер//Весе.конфер. "Прикладная Мессбауэровская спектроскопия", Казань, 1990, тез. докл., С. 189.
77. Русаков B.C. Мессбауэровская спектроскопия локально неоднородных систем. Алматы. 2000. 430с.
78. Kadyrzhanov К.К., Kerimov Е.А., Rusakov V.S., Turkebaev Т.Е., Udovsky A.L. The thermal stability of metal multilayer systems. I Eurasia conference on nuclear science and its application. Izmir. Turkey, 2000, v.2, p.760-772.
79. Kadyrzhanov K.K., Rusakov V.S., Turkebaev Т.Е., Kerimov E.A., Plaksin
80. D.A. Mossbauer study oh thin iron film beryllization. // Hyperfine Interactions. 2002. V.141-142. № 1-4. P.453.
81. Кадыржанов K.K., Керимов Э.А., Плаксин Д.А., Русаков B.C., Туркебаев Т.Э. Мессбауэровские исследования фазообразования в слоистых системах железо-бериллий. //Поверхность. 2003. №8. С.74.
82. Русаков B.C. Восстановление функций распределения сверхтонких параметров мессбауэровских спектров локально неоднородных систем. //Известия РАН. Серия физическая. 1999. Т.63. №7. С.1389-1396.
83. Верещак М.Ф., Кадыржанов К.К., Плаксин Д.А., Русаков B.C., Суслов
84. E.Е., Туркебаев Т.Э. Мессбауэровские исследования слоистой системы железо-алюминий. // Вестник КазГУ. 2003. №2 (15). С.94-100.
85. Русаков B.C., Кадыржанов К.К., Суслов Е.Е., Плаксин Д.А., Туркебаев Т.Э. Термически индуцированные фазовые преобразования в слоистой системе Fe-Al. // Поверхность. 2004. №12. С. 22-30.
86. Е.Р. Yelsukov, E.V. Voronina and V.A. Barinov. «Mossbauer study of magnetic properties formation in disordered Fe-Al alloys» // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1992. P. 271-280.
87. Кадыржанов K.K., Туркебаев Т.Э., Русаков B.C., Плаксин Д.А., Жанкадамова A.M., Кислицин С.Б., Енсебаева М.З. компьютерное моделирование механизма термической стабилизации слоистых систем железо-бериллий. //Вестник НЯЦ РК. 2003. №4. С.32-38.
88. Kadyrzhanov К.К., Rusakov V.S., Turkebayev Т.Е., Zhankadamova A.M., Plaksin D.A. Kinetics of phase transformations in thin foils with coatingsproduced by the methods of ion-plasma deposition. // Eurasian «Nuclear bulletin», №2,2003, P.69-73.
89. Кадыржанов K.K., Туркебаев Т.Э., Русаков B.C., Плаксин Д.А., Жанкадамова A.M. Численные расчеты температурно индуцированных диффузии и фазовых превращений в слоистых системах. // Известия НАН РК. Серия физико-математическая- 2003. № 6. С.175-178.
90. Тулеушев А.Ж., Лисицын В.Н., Володин В.Н., Тулеушев Ю.Ж. // Вестник НЯЦ РК. 2002. Вып.4. С.26.
91. Kadyrzhanov К.К., Turkebaev Т.Е., Udovsky A.L. // Nucl. Instrum. and Methods. B. 1995. V.103. P.38-45.
92. Кадыржанов K.K., Русаков B.C., Туркебаев Т.Э., Керимов Э.А., Верещак М.Ф., Лопуга А.Д. //Изв. РАН. 2001. Т.65. №7. С. 1022.
93. Kadyrzhanov К.К., Rusakov V.S., Turkebaev Т.Е., Kerimov Е.А., Lopuga A.D. Diffusion and phase formation in thin two-layer Fe-Be films after subsequent isochronous annealing. Nucl.Instr.Meth. Phys.Res. B. 2001, v. 174, p. 463-474.
