Файл: Хачатурян, А. Г. Теория фазовых превращений и структура твердых растворов.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 16.10.2024

Просмотров: 129

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

жений будет пропорциональна величине

I

(q) |ч=2Лн -к , =

[fx COS -g - a (qx +

q

+

 

 

+ [fx sin -J- в (?* +

4 " g„) + A j]2, (40.27)

где

 

 

 

 

 

 

 

Л1 =

/ л а2д11 (іх + дѵ)

 

 

 

т

а>\(кі)

 

 

Формула (40.26)

показывает, что интенсивность сверхструк­

турных отражений выражается через частоту продольных колеба­ ний решетки чистого растворителя (кД, отвечающую фононам

сволновым вектором kt.

§41. Упругая энергия двухкомпонентного твердого раствора

(континуальное приближение)

В § 38 было получено общее выражение (38.22) для упругой энергии твердых растворов замещения и внедрения. В нем учтено дискретное строение кристаллической решетки, упругая анизо­ тропия среды и произвольный характер деформации, создавае­ мой каждым примесным атомом. Выражение (38.26) правильно описывает упругую энергию системы при любых распределениях примесных атомов, в том числе и при распределениях, характер­ ные масштабы неоднородности /„ в которых существенно больше, чем параметр кристаллической решетки а . В последнем случае дискретное строение кристаллической решетки несущественно сказывается на величине упругой энергии, и она может быть вы­ ражена через макроскопические константы континуального при­

ближения j lm и ну (р ) (поправки будут иметь порядок а / г 0). Для того чтобы в выражении (38.26) совершить предельный переход к континуальному приближению, необходимо пренебречь пространственной дисперсией частот колебаний решетки ш0 (к) в выражении для фурье-компоненты тензорной функции Грина (38.15) и пространственной дисперсией фурье-компонент сил меж­

атомного взаимодействия

(к), т. е.

перейти к пределу малых к

(* « < 1 ) :

 

F p(k)r

-^ — iv3ij(p)kj,

 

<ов (к) - ^ с° ( 4 ) * .

(41.1)

где са !к) — скорость звука в ветви а в направлении

вектора к.

Используя (41.1) в (38.26), получим, что деформационное вза­

имодействие атомов в континуальном приближении равно

£ int = 4 2 2

[ - vhHm^b(P)^m(q) +

C M cPrq+

 

р=1 <1=1

 

 

 

V

V

 

 

 

+"ТХГ2 2 2 I—ѴпМ р ) Q}1 (n)

(q) пт

ср оо сч(Ю>

р =1

к

 

 

(41.2)

343


где n = к/к\ Ср — атомная доля примесных атомов, находящихся

в р-й подрешетке; Йд (n) =

k2GioHT (к)

— компоненты

тензора,

определенные для кубической решетки

в (26.7);

 

GяК О Н Т (к)

у е1(к)е11(к)

(41.3)

 

0=1 Рс5(к/*)Л*

 

есть фурье-образ тензорной функции Грина задачи анизотропной теории упругости в континуальном приближении (сравните

с (38.15)); р = т /ѵ— плотность чистого растворителя;

е„ (к )—

векторы поляризации акустических длинноволновых

фононов.

В длинноволновом приближении величина Ср (к) имеет смысл

фурье-образа

распределения

концентрации:

 

 

 

 

с Р (к) -> ~~ jj [п (р , R) — с (р)] ехр ( — ikR) d3R,

 

 

(41.4)

где п (р, R) = <с (р, R)>— вероятность

обнаружить

примесный

атом в точке

R.

 

 

 

 

 

 

Первое слагаемое в (41.2) связано с полем сил изображения

и описывает

дальнодействующее взаимодействие,

которое

пол­

ностью определяется суммарными числами N lt N 2, . .

.,

N p, . . .

. . ., Ny, атомов, находящихся в 1-й,

2-й, . . .,

р-й,

. . ., ѵ-й

подрешетках соответственно.

Энергия дальнодействующего

взаи­

модействия не зависит от пространственного распределения в пре­ делах каждой подрешетки. Второе слагаемое в (41.2) описывает взаимодействие, связанное с концентрационными неоднородностями в V подрешетках.

Следует отметить, что переход к континуальному приближению отнюдь не означает, что величина Q должна вычисляться в аппро­ ксимации малых значений к (41.1). Это связано с тем обстоятельст­ вом, что суммирование в выражении (38.23) для Q производится по всем точкам первой зоны Бриллюэна (в том числе и по тем, которые отвечают большим значениям к). Переход к континуаль­ ному приближению при вычислении Q по существу представляет собой еще одну дополнительную аппроксимацию, эквивалентную дебаевскому приближению в теории колебаний кристаллически* решеток. Используя (41.1) в (38.21), получим:

Q =

SК (k) Gij (к) П (к)->-£2

(р) Й « (п) оЧт (р) п т =

 

 

к

 

к

 

 

 

= V2 5

Щр ПіЛі (р) Qji (п) аЧт (р) п т =

 

 

(з.Б.)

 

 

 

 

 

 

=

V (п -Al {р) Qj, (n) o?m (P) /im>„ = Qc,

(41.5)

где

<. . .>„ — среднее

uo

направлениям вектора n = k /k .

Под-

344


ставляя

(41.5) в^(41.2),

имеем:

 

 

 

 

 

 

V

V

 

 

 

 

 

 

 

Е

— ~2~ 2 2 f

 

lmu ij {р) ulm ( ? ) 4 "

^ c ^ p g l

^pC g -f-

 

 

 

P= 1 9=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ” "2 л Г

2

2

I n i2ij {p) Qjl

( n ) 0lm ( 9 ) n m 4 -

 

 

 

 

 

P, g

к

 

 

 

 

 

 

 

 

4" <\иі3і)(p) Qjl (n) <3/m(p) ^m/n 6pq] Cp (к) Cq (к).

(41.6)

 

Рассмотрим частный случай

двухкомпонентного кубического

твердого

раствора

замещения.

Для

такого

раствора и?, (р) =

=

u0öij

и V

= 1

(индексы р и q в выражениях (41.2)

и (41.6)

можно опустить). Тогда формулу (41.6) можно переписать в форме

где

 

Еш = £ ‘nt + E f \

(41.7)

 

 

 

 

 

tnt

ЪКиІѴ

 

(41.8)

 

£ l0

------ y ~ [ 1 - 3 К (L (n))n] c2,

 

E * =

------2ЛГ 2 [L (П) - <L (п)>„11c (k) |2;

(41.9)

 

 

k

 

 

V — объем

кристалла, L(n) =

iii Qtj (n) nj есть величина,

опре­

деленная в

(29.15), К = (cu. 4-

2ci2)/3 — модуль всестороннего

сжатия. Величина Z?ont» определяемая формулой (41.8), зависит от полного числа примесных атомов и не зависит от перераспреде­ ления концентрации на расстояния, существенно меньшие, чем

размеры кристалла. Энергия i?int, связанная [с такими перерас­ пределениями, определяется формулой (41.9).

Из выражения (29.15) следует, что в упруго-изотропной среде

(при А = 0)

L (п) = (L (п)>„ = ~

=

2]Г(Т~”аІ) =

const,

(41.10)

где <з1 — коэффициент

Пуассона,

и — модуль

сдвига.

Поэтому

величина £^п\

определяемая

выражением (41.9), обращается

в нуль. Учитывая это обстоятельство в (41.7) и

принимая во вни­

мание равенство

(41.8),

получим:

 

1 + Оі

pulcW.

 

Е ш

ЗК< у і і

 

2

(41.11)

 

2

\

«и

 

9

1 — Cl

 

 

Мы приходим к выводу, что упругая энергия изотропного твер­ дого раствора не зависит от флюктуаций состава. В отношении таких флюктуаций твердый раствор ведет себя как идеальный. Последнее утверждение было, по-видимому, впервые ясно сформу­ лировано в работе [181. Причина того, что энергия изотропного твердого раствора не зависит от взаимного расположения примес­ ных атомов, может быть легко установлена из следующего про­

345


стого рассуждения. Любое поле сдвиговой деформации, по опре­ делению, не приводит к локальному сжатию или расширению объе­ ма и, следовательно, не приводит к взаимодействию с центрами дилатации, которыми являются примесные атомы. Как известно из континуальной теории упругости (см., например, [161]), центр дилатации в изотропной среде создает сдвиговое поле деформации. Поэтому он не взаимодействует с другими центрами дилатации, помещенными в его поле. Что же касается поля сил изображения, то оно является однородным и, следовательно, не может обеспе­ чить зависимость энергии взаимодействия от взаимного располо­ жения примесных атомов.

Таким образом, энергия упругого взаимодействия, связанного с неоднородным распределением концентрации в кубическом кри­ сталле, определяется выражением (41.9). Формула (41.9) отлича­ ется от той, которая следует из континуальной теории концентра­

ционных

напряжений

[257, 32, 33],

построенной по аналогии

с теорией

температурных напряжений.

Энергия взаимодействия,

полученная

в рамках

континуальной теории концентрационных

напряжений,

не содержит слагаемого (L (п)>и под знаком суммы

(см., например, [32, 33]). Причина этого расхождения заключена

вследующем. При чисто континуальном подходе к теории кон­ центрационных напряжений [257, 32, 33] нельзя учесть тот весьма существенный факт, что в одной точке кристалла не может быть больше одного примесного атома. Это обстоятельство автомати­ чески учитывалось при выводе формулы (41.9): выражение (41.9), по существу, было получено в результате предельного перехода

впоследнем слагаемом (38.26), которое ответственно за парное взаимодействие отдельных примесных атомов.

Перечисленные обстоятельства вносят определенные коррек­ тивы в теорию спинодального распада [32, 33]. Концентрационные неоднородности, возникающие при спинодальном распаде, будут

приводить только к изменению упругой энергии выраже­ ние для которой (41.9) отличается от соответствующих выражений в работах [32, 33]. Из (41.9), в частности, следует вывод, что в изо­

тропном твердом растворе, где Еint = 0, эффект упругих искаже­ ний не влияет на положение спинодальной кривой.

§42. Деформационное взаимодействие атомов углерода

вжелезо-углеродистом мартенсите [258]

Одним из наиболее известных примеров раствора внедрения, по-видимому, является железо-углеродистый мартенсит. Рент­ геноструктурные исследования мартенсита показали, что он пред­ ставляет собой пересыщенный слабо тетрагональный твердый раствор углерода в ОЦК решетке a-железа. Атомы углерода в мар тенсите расположены в одной из трех подрешеток октаэдрических междоузлий. Каждая октаэдрическая подрешетка представляет

346


собой ОЦК решетку, все узлы которой есть октаэдрические меж­ доузлия, обладающие одним общим свойством: атом внедрения, помещенный в любой узел подрешетки, приводит к одинаковой тетрагональной деформации. При этом ось тетрагональное™ лежит вдоль одного из трех направлений [100], [010], [001] ОЦК решетки а Fe в зависимости от того, в какую из трех октаэдриче­ ских подрешеток попадает атом внедрения. Таким образом, то обстоятельство, что все атомы углерода находятся в одной окта­ эдрической подрешетке, является причиной тетрагональности

Рис. 73.

а) Перестройка у — а кристаллической решетки

при мартенсит­

ном

превращении (деформация Бейна), б) Структура

мартенсита.

мартенсита, степень которой пропорциональна числу атомов углерода.

Образование железо-углеродистого мартенсита происходит в результате бездиффузионного превращения ГЦК решетки у Fe (аустенита), в октаэдрических междоузлиях которой располага­ ются атомы углерода. Перестройка кристаллической решетки у Fe при фазовом превращении осуществляется путем однородной деформации Бейна [259] или Курдюмова — Закса [260]. Для опи­ сания деформации Бейна удобно представить ГЦК решетку как ОЦК решетку (показана на рис. 73 жирными линиями), степень

тетрагональности которой равна ]^2.

Мартенситное превращение в чистом железе приводит к тому, что решетка у Fe путем однородной тетрагональной деформации превращается в ОЦК решетку а Fe. Наличие углерода приводит к слабой тетрагональности ОЦК решетки а Fe, так как в резуль­ тате деформации Бейна весь углерод оказывается в одной окта­ эдрической подрешетке (см. рис. 73). Такое распределение атомов углерода можно назвать полностью упорядоченным. В полностью упорядоченном состоянии степень тетрагональности оказывается однозначным образом связанной с концентрацией углерода Хс'•

da - 1 + 0,0096 Хс,

347