Физика конденсированного состояния вещества

Ôèçèêà êîíäåíñèðîâàííîãî ñîñòîÿíèÿ âåùåñòâà
ÑÒÐÓÊÒÓÐÍÛÅ ÏÐÅÂÐÀÙÅÍÈß Â ÌÅÒÀÑÒÀÁÈËÜÍÛÕ ÍÀÍÎÊÐÈÑÒÀËËÈ×ÅÑÊÈÕ ÏËÅÍÊÀÕ Fe(C),
ÏÎËÓ×ÅÍÍÛÕ ÌÅÒÎÄÎÌ ÈÌÏÓËÜÑÍÎ-ÏËÀÇÌÅÍÍÎÃÎ ÈÑÏÀÐÅÍÈß
Ñ.Â.Ñòîëÿð, Å.Ì.Àðòåìüåâ*
Íà îñíîâå êîìïëåêñíûõ ñòðóêòóðíûõ èññëåäîâàíèé ìåòîäàìè ðåíòãåíîâñêîé äèôðàêöèè è ìåòîäîì ïðîñâå÷èâàþùåé ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèè áûëà óñòàíîâëåíà ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ñòðóêòóðíûõ ñîñòîÿíèé ýòèõ ïëåíîê â
ïðîöåññå òåðìè÷åñêîé ðåëàêñàöèè: íàíîêðèñòàëëè÷åñêîå ÃÖÊ Fe(C)→ íàíîêðèñòàëëè÷åñêîå ÃÏÓ Fe(C)→ áëî÷íûé
“ìîíîêðèñòàëë” ÃÏÓ Fe(C)→ ÎÖÊ Fe + C.
Ïðè íàïûëåíèè òîíêèõ ìåòàëëè÷åñêèõ ïëåíîê íà ïîäëîæêó íåïðåðûâíî ïîñòóïàåò ïàð ñ âûñîêîé âíóòðåííåé
ýíåðãèåé. Äëÿ ñòàáèëèçàöèè ìåòàñòàáèëüíûõ íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ñîñòîÿíèé (ÍÊ), îáðàçóþùèõñÿ ïðè çàòâåðäåâàíèè êîíäåíñàòà, íåîáõîäèì áûñòðûé îòâîä òåïëà. Ýòó çàäà÷ó ìîæíî ðåøàòü òðàäèöèîííî – ñîçäàòü õîëîäèëüíèê äëÿ ýôôåêòèâíîãî òåïëîîáìåíà, èñïîëüçóÿ îõëàæäåíèå ïîäëîæêè âîäîé, æèäêèì àçîòîì èëè ãåëèåì. Âòîðîé
ñïîñîá - îáåñïå÷èòü èìïóëüñíîå ïîñòóïëåíèå ìàëîãî êîëè÷åñòâà ñæàòîãî ïàðà è ïîñëåäóþùåå çàòâåðäåâàíèå
ìàëûõ òîëùèí êîíäåíñàòà ñ áîëüøèìè èíòåðâàëàìè ìåæäó èìïóëüñàìè (ñêâàæíîñòü). Èç-çà òîãî, ÷òî ìàññû
ïîñòóïàþùåãî ìàòåðèàëà è ïîäëîæêè íå ñîèçìåðèìû, ïîñëåäíÿÿ â äàííîì ñëó÷àå ñòàíåò ïðåêðàñíûì õîëîäèëüíèêîì áåç ñïåöèàëüíûõ óõèùðåíèé. Ýòà èäåÿ áûëà ðåàëèçîâàíà â ìåòîäå èìïóëüñíî-ïëàçìåííîãî èñïàðåíèÿ
(ÈÏÈ) ñ ëàçåðíûì ïîäæèãîì [1]. Ðàçìåð çåðíà â ÍÊ, ïîëó÷åííûõ ìåòîäîì ÈÏÈ, â èñõîäíîì ñîñòîÿíèè ñîñòàâëÿë
~30Å [1, 2]. Àíàëèç ôîòîýëåêòðîííûõ ñïåêòðîâ ïîêàçàë, ÷òî ïëåíêà íàíîêðèñòàëëè÷åñêîãî Fe â îñíîâíîì ñîñòîèò
èç Fe (~75àò.%) è Ñ (~20àò.%) ñ ðàâíîìåðíûì ðàñïðåäåëåíèåì ýëåìåíòîâ (õFe/õC) ïî ãëóáèíå ïëåíêè [3].
Ðàáîòû [2, 3] ïîñâÿùåíû èññëåäîâàíèþ ôàçîâîãî ñîñòàâà è ìàãíèòíûõ ñâîéñòâ íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ïëåíîê
Fe(C), ïîëó÷åííûõ ìåòîäîì ÈÏÈ.  èñõîäíîì ñîñòîÿíèè ÍÊ ïëåíêè Fe(C) îêàçàëèñü ôåððîìàãíèòíûìè, îäíàêî
òàêèå ôóíäàìåíòàëüíûå ìàãíèòíûå ïàðàìåòðû, êàê êîíñòàíòà îáìåííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ À, íàìàãíè÷åííîñòü
íàñûùåíèÿ Ì, ïîëå àíèçîòðîïèè Íà, òåìïåðàòóðà Êþðè Òñ cóùåñòâåííûì îáðàçîì îòëè÷àëèñü îò ñîîòâåòñòâóþùèõ õàðàêòåðèñòèê òåðìîäèíàìè÷åñêè ñòàáèëüíîé ÎÖÊ ôàçû Fe. Òåðìè÷åñêàÿ îáðàáîòêà (2000Ñ, 1 ÷àñ) èñõîäíûõ
íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ïëåíîê Fe(C) ïðèâîäèëà ê òðàíñôîðìàöèè ìàãíèòíûõ õàðàêòåðèñòèê, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î
ñòðóêòóðíûõ ïðåâðàùåíèÿõ â èññëåäóåìûõ îáðàçöàõ. Â èñõîäíîì ñîñòîÿíèè ÍÊ-ïëåíêè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ìåòàñòàáèëüíûé ïåðåñûùåííûé ÃÖÊ-Fe(C) òâåðäûé ðàñòâîð, êîòîðûé â äàëüíåéøåì ïåðåõîäèò â ìåòàñòàáèëüíûé
ÃÏÓ-Fe(C) òâåðäûé ðàñòâîð. Íà ðèñ.1 êà÷åñòâåííàÿ ôàçîâàÿ äèàãðàììà æåëåçà â êîîðäèíàòàõ (G, x), ãäå G-ýíåðãèÿ
Ãèááñà, x-ñîäåðæàíèå óãëåðîäà [3]. Èñõîäíîå ñîñòîÿíèå íàíîêðèñòàëëè÷åñêîãî ñïëàâà Fe(C), ïîëó÷åííîãî ìåòîäîì ÈÏÈ, íà ôàçîâîé äèàãðàììå (G,x) ïîêàçàíî çàøòðèõîâàííûì ïðÿìîóãîëüíèêîì. Âèäíî, ÷òî ïðè ðåëàêñàöèè
èñõîäíîãî ñîñòîÿíèÿ Fe(C) ñîãëàñíî ïðàâèëó ñòóïåíåé Îñòâàëüäà áóäóò íàáëþäàòüñÿ ñëåäóþùèå ñòðóêòóðíûå
ïðåâðàùåíèÿ: ÃÖÊFe(C)→ÃÏÓFe(C)→ÎÖÊFe(C).
Öåëü ïðåäëàãàåìîé ðàáîòû – èññëåäîâàòü îñîáåííîñòè ñòðóêòóðû è õàðàêòåð ïðåâðàùåíèÿ
ÃÖÊFe(C)→ÃÏÓFe(C) â íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ïëåíêàõ Fe(C), ïîëó÷åííûõ ìåòîäîì èìïóëüñíî-ïëàçìåííîãî èñïàðåíèÿ.
Àòîìíàÿ ñòðóêòóðà íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ïëåíîê Fe, èçãîòîâëåííûõ òåõíîëîãèåé ÈÏÈ, îïðåäåëÿëàñü ìåòîäîì
ðåíòãåíîâñêîé äèôðàêöèè ñèíõðîòðîííîãî
/
èçëó÷åíèÿ (ÈÔ ÑÎ ÐÀÍ, Ñèáèðñêèé ìåæäóíàðîä"
íûé öåíòð ÑÈ) è ìåòîäîì äèôðàêöèè ýëåêòðîíîâ
.A!+
íà ýëåêòðîííîì ìèêðîñêîïå JEM 100 C.
Äèôðàêöèîííûå êàðòèíû áûëè ïîëó÷åíû ñ
èñõîäíûõ íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ïëåíîê Fe, à òàêæå
ïîñëå èçîòåðìè÷åñêèõ îòæèãîâ äàííûõ ïëåíîê â
γ&
òå÷åíèå 1 ÷àñà ïðè òåìïåðàòóðàõ 200, 4000Ñ.
Ðåçóëüòàòû ðåíòãåíîñòðóêòóðíîãî àíàëèçà
ε$
èñõîäíûõ ïëåíêàõ Fe (òîëùèíîé ~1000Å) è
"
îòîææåííûõ ïëåíêàõ Fe, ïðèâåäåíû íà ðèñ.2. α
Äèôðàêöèîííàÿ êðèâàÿ èñõîäíûõ ïëåíîê,
ñîäåðæàëà
îäèí
óøèðåííûé
ïèê,
öåíòðèðîâàííûé îêîëî d=2.04Å c øèðèíîé ïèêà
!
x, % ∆(2θ)~3 0 .
Îòîææåííûå
ïëåíêè
íàíîêðèñòàëëè÷åñêîãî Fe õàðàêòåðèçîâàëèñü äèôÐèñ.1. Êà÷åñòâåííàÿ ôàçîâàÿ äèàãðàììà ñïëàâà Fe-C â
ðàêöèîííîé êðèâîé (êðèâàÿ 2 ðèñ.2), ñîäåðæàùåé êîîðäèíàòàõ Ýíåðãèÿ Ãèááñà, êîíöåíòðàöèÿ óãëåðîäà (G, x)
íàáîð ðåôëåêñîâ, ðàñøèôðîâêà êîòîðûõ
Âåñòíèê ÊðàñÃÓ
ñâèäåòåëüñòâóþò î ãåêñàãîíàëüíîé ïëîòíîóïàêîâàííîé ñòðóêòóðå (ÃÏÓ) äàííûõ ïëåíîê Fe ñî ñëåäóþùèìè
ïàðàìåòðàìè êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè: a=2.63Å, c=4.44Å, c/a=1.7.
Îñîáåííîñòüþ äèôðàêöèîííîé êðèâîé îòîææåííîé íàíîêðèñòàëëè÷åñêîé ïëåíêè Fe(Ñ) ÿâëÿåòñÿ êàæóùååñÿ
îòñóòñòâèå îòðàæåíèÿ (002). Çàìåòèì, ÷òî â ýòîì íåò íè÷åãî óäèâèòåëüíîãî, ïîñêîëüêó ðåàëèçóþùèåñÿ çíà÷åíèÿ
ïàðàìåòðîâ ðåøåòêè (à, ñ) ÃÏÓ ôàçû Fe(C) è çíà÷åíèÿ øèðèíû ïèêà ∆(2θ)(100) òàêîâû, ÷òî ðàçíèöà ìåæäó ñîîòâåòñòâóþùèìè çíà÷åíèÿìè áðåããîâñêèé óãëîâ îòðàæåíèé (100) è (002) ìåíüøå çíà÷åíèÿ ∆(2θ)(100). Äåéñòâèòåëüíî, îòðàæåíèå (101) ñî ñòîðîíû áîëüøèõ çíà÷åíèé óãëîâ (2θ) õàðàêòåðèçóåòñÿ ïëå÷îì, îáóñëîâëåííûì îòðàæåíèåì (002).
Èñïîëüçîâàíèå ïðîñâå÷èâàþùåé ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèè ïîçâîëèëî âûÿâèòü õàðàêòåðíûå îñîáåííîñòè
ñòðóêòóðíûõ ïðåâðàùåíèé â èññëåäóåìûõ íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ïëåíêàõ Fe(C). Íà ðèñ.3 ïðèâåäåíà äèôðàêöèîííàÿ êàðòèíà èñõîäíîãî íàíîêðèñòàëëè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ (ðèñ. 3à) è åå òðàíñôîðìàöèÿ ïîä äåéñòâèåì ýëåêòðîííîãî ïó÷êà (à→á→â). Íà ðèñ. 3á äàíà ðàñøèôðîâêà âîçíèêàþùèõ ìåòàñòàáèëüíûõ ñòðóêòóð. Èñïîëüçóÿ èçâåñòíîå
ñîîòíîøåíèå ∆à~f(àò.%Ñ) äëÿ ÃÖÊ òâåðäîãî ðàñòâîðà Fe(C), ìû îïðåäåëèëè õèìè÷åñêèé ñîñòàâ ÃÖÊ òâåðäîãî
ðàñòâîðà ìèêðîó÷àñòêà, ñ êîòîðîãî áûëà ïîëó÷åíà äèôðàêöèîííàÿ êàðòèíà - Fe82C18 (ðèñ. 3á).
Îêàçàëîñü, ÷òî óãëåðîä â íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ïëåíêàõ Fe(C) ðàñïðåäåëåí íåðàâíîìåðíî. Íà ðèñ 4. ïðèâåäåíû
êàðòèíû ìèêðîäèôðàêöèè, ïîëó÷åííûå ñ îäíîé è òîé æå ïëåíêè (ðàçíûå ó÷àñòêè), îòîææåííîé â òå÷åíèå 1 ÷àñà
ïðè òåìïåðàòóðå 2000Ñ. Äàííûå äèôðàêöèîííûå êàðòèíû õàðàêòåðíû äëÿ áëî÷íûõ “ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèõ” ïëåíîê è ñîõðàíÿþòñÿ âïëîòü äî òåìïåðàòóðû îòæèãà 5000Ñ. Îñîáåííîñòüþ “ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèõ“ êàðòèí ìèêðîäèôðàêöèè (ðèñ. 3â, 4à, 4á) ÿâëÿåòñÿ, âî-ïåðâûõ, îãðîìíîå êîëè÷åñòâî ðåôëåêñîâ, êîòîðûå ìîæíî ðàçäåëèòü íà äâà
ñåìåéñòâà, îòëè÷àþùèõñÿ èíòåíñèâíîñòÿìè; âî-âòîðûõ, òî, ÷òî ìåæïëîñêîñòíûå ðàññòîÿíèÿ ðåôëåêñîâ ìåíüøåé
èíòåíñèâíîñòè õàðàêòåðèçóþòñÿ çíà÷åíèÿìè ïîðÿäêà 10Å, êîòîðûå íå ìîãóò ðåàëèçîâàòüñÿ â ìåòàëëå. Ïîýòîìó
íà îñíîâàíèè âûøåèçëîæåííûõ îñîáåííîñòåé êàðòèí ìèêðîäèôðàêöèè áûëî ñäåëàíî ñëåäóþùåå ïðåäïîëîæåíèå.
 ïðîöåññå òåðìè÷åñêîé ðåëàêñàöèè òâåðäûé ðàñòâîð ÃÏÓ Fe(C) âñëåäñòâèå äèôôóçèè óãëåðîäà êîíôèãóðàöèîííî óïîðÿäî÷èâàåòñÿ òàê, ÷òî âîçíèêàåò ñóáðåøåòêà àòîìîâ óãëåðîäà. Ïîñëåäíåå ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî íà ìèêðîäèôðàêöèîííûõ êàðòèíàõ ñïëàâà Fe(C), êðîìå ðåôëåêñîâ, õàðàêòåðèçóþùèõ ãåêñàãîíàëüíóþ ïëîòíóþ óïàêîâêó
àòîìîâ ìåòàëëà (ñåìåéñòâî ðåôëåêñîâ áîëüøåé èíòåíñèâíîñòè), íàáëþäàþòñÿ ðåôëåêñû ìåíüøåé èíòåíñèâíîñòè, âîçíèêàþùèå âñëåäñòâèå äèôðàêöèè íà ïëîñêîñòÿõ ïîäðåøåòêè àòîìîâ óãëåðîäà, òàêæå îáðàçóþùèõ ãåêñàãîíàëüíóþ ïëîòíóþ óïàêîâêó ÃÏÓ [4]. Ðàñøèôðîâêà âîçíèêàþùèõ ñâåðõñòðóêòóð (ìåòàëëè÷åñêàÿ ðåøåòêà è ðåøåòêà
àòîìîâ ìåòàëëîèäà) ïîêàçàíà íà ðèñ.4 à, á. Ñ èñïîëüçîâàíèåì ñîîòíîøåíèÿ çíà÷åíèé îáúåìîâ, ïðèõîäÿùèõñÿ íà
àòîì ìåòàëëà è àòîì óãëåðîäà Vàò(Fe): Vàò(C), ëåãêî îïðåäåëÿåòñÿ õèìè÷åñêèé ñîñòàâ ìèêðîó÷àñòêîâ, ñ êîòîðûõ
ïîëó÷åíû äèôðàêöèîííûå êàðòèíû ðèñ. 4 à, á. Õèìè÷åñêèå ñîñòàâû îáëàñòåé ïëåíêè ñïëàâà Fe(C), ÷üè êàðòèíû
ìèêðîäèôðàêöèè ïðèâåäåíû íà ðèñ. 4 à, á, îêàçàëèñü ðàâíû Fe8C è Fe11C ñîîòâåòñòâåííî. (Îòìåòèì çàìå÷àíèå
(100) (002) (101))
(200) (004)
(202)
N!
2
1
30
40
50
60
70
80
90
100
2θ
Ðèñ.2. Ðåíòãåíîâñêèå äèôðàêòîãðàììû èñõîäíîé íàíîêðèñòàëëè÷åñêîé ïëåíêè Fe (1) è ïëåíêè (2),
îòîææåííîé ïðè Òîòæ.= 2000Ñ
Ôèçèêà êîíäåíñèðîâàííîãî ñîñòîÿíèÿ âåùåñòâà
ïðîôåññîðà Ãëåçåðà À.Ì. (ÖÍÈÈ÷åðìåò, Ìîñêâà), î òîì, ÷òî â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ ïîäîáíûå ñâåðõñòðóêòóðíûå
ðåôëåêñû ìîãóò áûòü îáóñëîâëåíû äâîéíèêîâàíèåì ÃÏÓ ðåøåòêè. Ïîýòîìó, ýòîò âûâîä íóæäàåòñÿ â
äîïîëíèòåëüíûõ èññëåäîâàíèÿõ.)
Ôàçîâîå ïðåâðàùåíèå ÃÖÊFe(C)→ÃÏÓFe(C) â èññëåäóåìûõ íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ïëåíêàõ îêàçûâàåòñÿ íåïîëíûì. Íà ðèñ. 5 à ïðèâåäåíà ôîòîãðàôèÿ ìèêðîäèôðàêöèè èññëåäóåìîé ïëåíêè Fe(C), îòîææåííîé â òå÷åíèå
÷àñà ïðè òåìïåðàòóðå 2000Ñ. Ðàñøèôðîâêà äàííîé äèôðàêöèîííîé êàðòèíû óêàçûâàåò íà íàëè÷èå ÃÏÓ ôàçû
Fe(C) ñ îñüþ çîíû [2110] è èñõîäíîé ìàòåðèíñêîé ÃÖÊ-ôàçû Fe(C) ñ îñüþ çîíû [011]. Ðåãèñòðèðóåìûå ÃÏÓ, ÃÖÊ
ôàçû Fe(C) íàõîäÿòñÿ â îðèåíòàöèîííîì êðèñòàëëîãðàôè÷åñêîì ñîîòíîøåíèè Êóðäþìîâà-Çàêñà èëè ÍèøèÿìûÂàññåðìàíà, ðåãèñòðèðóåìîì ïðè
ìàðòåíñèòíûõ ïðåâðàùåíèÿõ. Íà ðèñ. 5á
à
ïðèâåäåíî ýòàëîííîå îðèåíòàöèîííîå
ñîîòíîøåíèå Íèøèÿìû-Âàññåðìàíà.
Óïîðÿäî÷åíèå àòîìîâ ìåòàëëîèäà â
ïëåíêàõ èññëåäóåìûõ ñïëàâîâ Fe(C)
ïðèâîäèò ê îòëè÷èþ îáíàðóæåííûõ
íàìè óïàêîâîê îò èäåàëüíûõ ÃÖÊ, ÃÏÓ
ñòðóêòóð. Òàê, îòíîøåíèå ñ/à äëÿ ÃÏÓ
ôàçû Fe(C) ðàâíî 1.7 (èäåàëüíîå ñîîòíîøåíèå ñ/à=1.63). Äðóãàÿ ïëîòíàÿ óïàêîâêà Fe(C) îêàçàëàñü òåòðàãîíàëüíîé (ÃÖÒ),
ãöê(200)
äëÿ êîòîðîé óñòàíîâëåíî ñ/à=0.87. Èç
ðèñ.5à òàêæå âèäíî, ÷òî êðîìå ÃÏÓ ôàçû
Fe(C) [2110] íàáëþäàåòñÿ è äðóãàÿ
ãïó(101)
îðèåíòàöèÿ ÃÏÓ-Fe(C) ñ îñüþ çîíû
[1213].
á
Èñõîäíûé ìåòàñòàáèëüíûé ñïëàâ
ãïó(100)
íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ïëåíîê Fe(C) ñ
ðàçìåðîì çåðíà ~30Å õàðàêòåðèçóåòñÿ
ÃÖÊ ïîäîáíîé ñòðóêòóðîé áëèæàéøåãî
ãöê(111)
îêðóæåíèÿ. Ìû ñ÷èòàåì, ÷òî
ñòðóêòóðíîå ïðåâðàùåíèå ÃÖÊ
Fe(C)→ÃÏÓ Fe(C), îñóùåñòâëÿþùååñÿ
ïðè
òåðìè÷åñêîé
ðåëàêñàöèè
èññëåäóåìûõ íàìè ïëåíîê, ïðîèñõîäèò
ñäâèãîâûì, ìàðòåíñèòíûì îáðàçîì.
Èçâåñòíî, ÷òî äîìèíèðóþùèì
â
ìåõàíèçìîì
ìàðòåíñèòíûõ
ïðåâðàùåíèé ëþáîãî òèïà â íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ñïëàâàõ ÿâëÿåòñÿ ìåõàíèçì
“ìîíîêðèñòàëë”→”ìîíîêðèñòàëë”,
ïîýòîìó ðàçìåð çåðíà îáðàçóþùåãîñÿ
ìàðòåíñèòà è èñõîäíîé ìàòåðèíñêîé
ôàçû îñòàåòñÿ íåèçìåííûì. Â èñõîäíîì Ðèñ.3. Òðàíñôîðìàöèÿ ñòðóêòóðíîãî ñîñòîÿíèÿ èñõîäíîé ïëåíêè Fe(C)
→á→
→â
â ðåçóëüòàòå âîçäåéñòâèÿ ýëåêòðîííûì ïó÷êîì à→
ñîñòîÿíèè èññëåäóåìûå íàìè ìåòàñòàáèëüíûå ïëåíêè Fe(C) íàíîêðèñòàëëè÷åñêèå, äðóãèìè ñëîâàìè, çåðíà ÃÖÊ ñïëàâà Fe(C) õàðàêòåðèçóþòñÿ âñåâîçìîæíûìè êðèñòàëëîãðàôè÷åñêèìè îðèåíòàöèÿìè.  ðåçóëüòàòå ïðåâðàùåíèÿ ÃÖÊ Fe(C)→ÃÏÓ Fe(C)
îáðàçóþùèéñÿ ÃÏÓ ìàðòåíñèò òàêæå äîëæåí áûòü êðèñòàëëîãðàôè÷åñêè âûðîæäåííûì (ðèñ.3á ). Îäíàêî êàðòèíû
ìèêðîäèôðàêöèè, ïîëó÷åííûå â ðåçóëüòàòå áîëåå ïðîäîëæèòåëüíîãî âîçäåéñòâèÿ ïó÷êîì ýëåêòðîíîâ â êîëîííå
ýëåêòðîííîãî ìèêðîñêîïà èññëåäóåìûõ ïëåíîê Fe(C), à òàêæå êàðòèíû ìèêðîäèôðàêöèè îòîææåííûõ îáðàçöîâ
ñâèäåòåëüñòâóþò îá îáðàçîâàíèè “ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèõ” ïëåíîê ÃÏÓ-Fe(C), ïîýòîìó ìû ñ÷èòàåì, ÷òî ñëåäóþùèì
ýòàïîì ñòðóêòóðíîé ðåëàêñàöèè íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ïëåíîê Fe(C) ÿâëÿþòñÿ ðåêðèñòàëëèçàöèîííûå ïðîöåññû,
â ðåçóëüòàòå êîòîðûõ îñóùåñòâëÿåòñÿ ïðåâðàùåíèå ÃÏÓFe(C)-íàíîêðèñòàëë→ÃÏÓFe(C)-áëî÷íûé “ìîíîêðèñòàëë”.
Ýíåðãåòè÷åñêàÿ öåëåñîîáðàçíîñòü äàííîãî ïðîöåññà î÷åâèäíà, ïîñêîëüêó ÷èñëî ïîâåðõíîñòíûõ àòîìîâ â
íàíîêðèñòàëëè÷åñêîì ñïëàâå çíà÷èòåëüíî óìåíüøàåòñÿ.
Èçâåñòíî, ÷òî ïîâûøåííîå çíà÷åíèå òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ïîòåíöèàëà G íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ
îáóñëîâëåíî ðàçâèòîé óäåëüíîé ïîâåðõíîñòüþ. Äîáàâêà ∆G, câÿçàííàÿ ñ ïîâåðõíîñòíûìè àòîìàìè íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ çåðåí, â âåëè÷èíó G çàâèñèò îò êðèñòàëëîãðàôè÷åñêîé îðèåíòàöèè êðèñòàëëèêîâ, íàïðèìåð îòíîñèòåëüíî ïëîñêîñòè ïîëó÷åííîé ïëåíêè.  îáðàçóþùåìñÿ ïîëèêðèñòàëëè÷åñêîì ÃÏÓ ìàðòåíñèòå ñóùåñòâóþò ðàçëè÷-
Âåñòíèê ÊðàñÃÓ
íûå
îðèåíòàöèè
íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ çåðåí, à
ñëåäîâàòåëüíî, âåëè÷èíà ∆Gi
êàæäîãî çåðíà òàêæå ðàçëè÷àåòñÿ. Â
ðåçóëüòàòå ðåêðèñòàëëèçàöèè
ïðîèñõîäèò ðîñò çåðåí ñ
îðèåíòàöèÿìè, ïðèâåäåííûìè íà à
äèôðàêöèîííûõ êàðòèíàõ ðèñ.4, 5, çà
ñ÷åò ñîñåäíèõ çåðåí, èìåþùèõ
ìåíåå âûãîäíûå â ýíåðãåòè÷åñêîì
îòíîøåíèè êðèñòàëëîãðàôè÷åñêèå
îðèåíòàöèè. Íàáëþäàåìûå âûñîêèå
ñêîðîñòè äàííûõ ïðîöåññîâ
ñâèäåòåëüñòâóþò, âî-ïåðâûõ, î
çíà÷èòåëüíîì
ãðàäèåíòå
êðèñòàëëîãðàôè÷åñêèõ îðèåíòàöèé
çåðåí,
ñîñòàâëÿþùèõ
ïîëèêðèñòàëëè÷åñêèé ÃÏÓ ñïëàâ
Fe(C), âî-âòîðûõ, î íàëè÷èè óïðóãèõ
íàïðÿæåíèé â èññëåäóåìûõ ïëåíêàõ.
(1212)Fe
Íåìàëîâàæíûì ÿâëÿåòñÿ è òî
(0111)Fe
îáñòîÿòåëüñòâî,
÷òî
ðåêðèñòàëëèçàöèè ïîäâåðæåí íå
òîëüêî íàíîêðèñòàëëè÷åñêèé
á
ìàðòåíñèò, íî è îñòàâøèåñÿ çåðíà
(1101)
ÃÖÊ ôàçû Fe(C).
(1101)Fe
(0111)
Òåïåðü
ðàññìîòðèì
êðèñòàëëîãðàôè÷åñêèå îðèåíòàöèè
ìåæäó ÃÏÓ ìàðòåíñèòîì è ÃÖÊ
ôàçîé
Fe(C)
â
áëî÷íûõ
(1010)
“ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèõ” ïëåíêàõ,
îáðàçîâàâøèõñÿ â ðåçóëüòàòå
(1010)Fe
ðåêðèñòàëëèçàöèè. Ïðèâåäåííûå íà
ðèñ.5
îðèåíòàöèîííûå
ñîîòíîøåíèÿ ìåæäó äâóìÿ
ïëîòíûìè óïàêîâêàìè èññëåäóåìûõ
ïëåíîê Fe(C), ïî âñåé âèäèìîñòè, íå
èñ÷åðïûâàþò âñåãî âîçìîæíîãî
ìíîãîîáðàçèÿ îðèåíòàöèîííûõ
ñîîòíîøåíèé â èññëåäóåìûõ íàìè
ïëåíêàõ. Ìû ñ÷èòàåì, ÷òî ïðè÷èíîé,
Ðèñ.4. Êàðòèíû ìèêðîäèôðàêöèè, ïîëó÷åííûå ñ ðàçíûõ ó÷àñòêîâ ïëåíêè
ïðèâîäÿùåé ê íåñêîëüêèì
Fe(C), îòîæåííîé ïðè òåìïåðàòóðå 2000Ñ
âàðèàíòàì
ïåðåñòðîéêè
êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè ÃÖÊ ôàçû â êðèñòàëëè÷åñêóþ ðåøåòêó ÃÏÓ-ìàðòåíñèòà, ÿâëÿåòñÿ õèìè÷åñêàÿ
íåîäíîðîäíîñòü íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ïëåíîê, ïîëó÷åííûõ ìåòîäîì èìïóëüñíî-ïëàçìåííîãî èñïàðåíèÿ –
íåîäíîðîäíîå ðàñïðåäåëåíèå àòîìîâ Ñ â îáúåìå íàíîêðèñòàëëè÷åñêîé ïëåíêè. Äîêàçàòåëüñòâî äàííîãî
óòâåðæäåíèÿ - êàðòèíû ìèêðîäèôðàêöèè, ïîëó÷åííûå íà îòîææåííûõ ïëåíêàõ Fe(C) è ïðèâåäåííûå íà ðèñ 5.
Åñëè õèìè÷åñêàÿ íåîäíîðîäíîñòü ðåãèñòðèðóåòñÿ íà ÃÏÓ ïëåíêàõ Fe(C), îáðàçîâàâøèõñÿ â ðåçóëüòàòå òåðìè÷åñêîé
îáðàáîòêè, ñëåäîâàòåëüíî, â èñõîäíîì ïîëèêðèñòàëëè÷åñêîì ÃÖÊ ñîñòîÿíèè óãëåðîä òàêæå ðàñïðåäåëåí
íåðàâíîìåðíî.  ïèîíåðñêèõ ðàáîòàõ Ïèíñêåðà ñ ñîòðóäíèêàìè [5], ïîñâÿùåííûõ ýëåêòðîíîãðàôè÷åñêèì
èññëåäîâàíèÿì ïåðåñûùåííûõ òâåðäûõ ðàñòâîðîâ Fe(C), Fe(N), ñäåëàíî ïðåäïîëîæåíèå, î òîì, ÷òî êðèñòàëëè÷åñêàÿ
ðåøåòêà òâåðäûõ ðàñòâîðîâ ÃÖÊ ôàçû Fe òåòðàãîíàëüíà (ñ/a≠1) – ÃÖÒ.  ñëó÷àå èññëåäóåìûõ íàìè
íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ïëåíîê â èñõîäíîì ÃÖÊ ñîñòîÿíèè âñëåäñòâèå íåîäíîðîäíîãî ðàñïðåäåëåíèå àòîìîâ
ìåòàëëîèäà â òâåðäîì ðàñòâîðå ÃÖÊ-Fe(Ñ) îòíîøåíèå ñ/à òàêæå áóäåò íåîäíîðîäíûì, à ñòåïåíü òåòðàãîíàëüíîñòè
áóäåò âûáèðàòü íàèáîëåå ýíåðãåòè÷åñêè âûãîäíûé âàðèàíò ïåðåñòðîéêè êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè ÃÖÊ ôàçû â
ÃÏÓ ìàðòåíñèò.
Çàêëþ÷èòåëüíûì ýòàïîì ñòðóêòóðíîé ðåëàêñàöèè ïðè ÃÖÊ→ÃÏÓ ïðåâðàùåíèè â èññëåäóåìûõ íàìè ìåòàñòàáèëüíûõ ïëåíêàõ Fe(C) áóäóò ïðîöåññû êîíôèãóðàöèîííîãî óïîðÿäî÷åíèÿ àòîìîâ óãëåðîäà â ìåòàëëè÷åñêîé
Ôèçèêà êîíäåíñèðîâàííîãî ñîñòîÿíèÿ âåùåñòâà
(à)
(á)
Ðèñ. 5. (à) – Êàðòèíà ìèêðîäèôðàêöèè, ïëåíêè Fe(C), îòëîæåííîé ïðè òåìïåðàòóðå 200°Ñ.
Îñü çîíû ÃÖÊ Fe(C) [011], îñü çîíû ÃÏÓ ìàðòåíñèòà Fe(C) [2110].
(á) – ýòàëîííîå îðèåíòàöèîííîå ñîîòíîøåíèå Íèøèÿìû-Âàññåðìàíà (011)ÃÖÊ ? (2110)ÃÏÓ
ðåøåòêå.  ðåçóëüòàòå ýòèõ ïðîöåññîâ ôîðìèðóåòñÿ ïîäðåøåòêà àòîìîâ ìåòàëëîèäà ñ ïàðàìåòðàìè, îïðåäåëÿþùèìèñÿ õèìè÷åñêèì ñîñòàâîì êîíêðåòíîãî ìèêðîó÷àñòêà.
Òàêèì îáðàçîì, ñòðóêòóðíîå ïðåâðàùåíèå ÃÖÊ→ÃÏÓ, îñóùåñòâëÿþùååñÿ â íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ïëåíêàõ
Fe(C), ïîëó÷åííûõ ìåòîäîì ÈÏÈ, ÿâëÿåòñÿ ìíîãîýòàïíûì ïðîöåññîì, ïðèâîäÿùèì ê ïîñëåäîâàòåëüíîìó óìåíüøåíèþ òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ïîòåíöèàëà G íåîäíîðîäíîãî ìåòàñòàáèëüíîãî ñïëàâà (ïðàâèëî ñòóïåíåé Îñòâàëüäà): ïîëèêðèñòàëë ÃÖÊ Fe(C) → ïîëèêðèñòàëë ÃÏÓ Fe(C) → áëî÷íûé “ìîíîêðèñòàëë” ÃÏÓ Fe(C) → óïîðÿäî÷åííûé áëî÷íûé “ìîíîêðèñòàëë” ÃÏÓ Fe(C). Äàëüíåéøåå æå ïðåâðàùåíèå â òåðìîäèíàìè÷åñêóþ ÎÖÊ ôàçó Fe
ïðîèñõîäèò â ðåçóëüòàòå ÷àñîâîãî îòæèãà ïðè òåìïåðàòóðå 6000Ñ.
1.
2.
3.
4.
5.
ÑÏÈÑÎÊ ËÈÒÅÐÀÒÓÐÛ
Æèãàëîâ Â.Ñ., Ôðîëîâ Ã.È, Êâåãëèñ Ë.È. Íàíîêðèñòàëëè÷åñêèå ïëåíêè Ñî ïðèãîòîâëåííûå ïðè ñâåðõáûñòðîé
êîíäåíñàöèè // ÔÒÒ. – 1998. - Ò.40. Âûï.11.- Ñ.2074-2079.
Èñõàêîâ Ð.Ñ., Êîìîãîðöåâ Ñ.Â., Ñòîëÿð Ñ.Â., Ïðîêîôüåâ Ä.Å, Æèãàëîâ Â.Ñ. Ñòðóêòóðà è ìàãíèòíûå ñâîéñòâà
íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ êîíäåíñàòîâ Fe, ïîëó÷åííûõ ìåòîäîì èìïóëüñíî-ïëàçìåííîãî èñïàðåíèÿ // ÔÌÌ. –
1999. – T.88, Âûï.3. – Ñ.56-65.
Èñõàêîâ Ð.Ñ., Êîìîãîðöåâ Ñ.Â., Ñòîëÿð Ñ.Â., Ïðîêîôüåâ Ä.Å., Æèãàëîâ Â.Ñ, Áàëàåâ À.Ä. Ïðàâèëî ñòóïåíåé
Îñòâàëüäà â ìåòàñòàáèëüíûõ íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ïëåíêàõ Fe-C, ïîëó÷åííûõ ìåòîäîì èìïóëüñíî-ïëàçìåííîãî èñïàðåíèÿ // Ïèñüìà â ÆÝÒÔ.-1999.-Ò.70. Âûï.11.
Dubois J.M., Le Caer G. Electron Diffraction and Mossbauer Studies of the e-Phase Retainet in Splat-Quenched FeC and Fe-C-Si Alloys // Acta Metall. – 1977. – V.25.- P.609-618.
Ïèíñêåð Ç.Ã., Êàâåðèí Ñ.Â. Ýëåêòðîíîãðàôè÷åñêîå îïðåäåëåíèå ñòðóêòóðû êàðáèäà æåëåçà Fe4C // Êðèñòàëëîãðàôèÿ.-1956.- Ò.1. Âûï. 1.- Ñ.66-72.