Анотація до роботи:

Мазілова Т.І. Тонка структура поверхонь поділу в металах і сплавах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за фахом 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Науково-технічний центр електрофізичної обробки НАН Україні, м. Харків, Україна, 2004.

Дисертація присвячена проблемі дослідження тонкої структури меж зерен і двійників, міжкластерних меж, а також вільних поверхонь у металах і сплавах. Розроблено новий метод розрахунків структурних і енергетичних характеристик поверхонь поділу в оберненому просторі. Досліджено зв'язок структури і енергії ядер меж зерен з мікро- і макроскопічними параметрам межі, проведений кристалогеометричний аналіз нанотопографії меж зерен. Вперше в строгій постановці вирішена задача про атомну будову меж зерен загального типу. Побудована узагальнена аналітична модель скомпенсованих лінійно розподілених поверхневих сил, що задовільно описує поля пружних деформацій поблизу меж зерен. Виявлено явище некінкового польового випаровування атомів на щільноупакованих межах, що може бути використане для визначення диференціального зсуву поверхневих атомів. На атомному рівні досліджені елементарні акти ерозії поверхні при низьких температурах під дією бомбардування прискореними атомами й іонами. Одержані в роботі результати і розвинуті в ній уявлення про фізичну природу процесів на поверхнях поділу забезпечили рішення проблеми дослідження тонкої атомної структури меж поділу в твердих тілах і розробки фізичних основ методів формування поверхні.

Дисертаційна робота є комплексним експериментальним і теоретичним дослідженням атомної структури поверхонь поділу в металах та сплавах. Одержані в роботі експериментальні дані і результати комп'ютерного моделювання, розвинуті в ній уявлення про фізичну природу процесів на поверхнях поділу забезпечили рішення проблеми визначення тонкої атомної структури меж поділу в металах і сплавах, а також розробку фізичних основ методів формування поверхні. Результати проведених комплексних досліджень зводяться до таких основних висновків:

1. Створено новий напрямок у фізиці дефектів ґратки – математичне моделювання структури поверхонь поділу в оберненому просторі в наближенні парних потенціалів. Показана можливість адекватного опису релаксаційних процесів і тонкої структури меж поділу в термінах жорсткого зсуву кристалографічних площин і створена в рамках наближення парних потенціалів аналітична база дослідження поверхонь поділу в оберненому просторі. Принциповою перевагою цього методу є вперше реалізована можливість визначення структури меж зерен загального типу.

2. Кристалогеометрічний аналіз нанотопографії меж зерен у відпаленому вольфрамі показав, що бездислокаційні уступи на сингулярних межах зерен не є енергетично вигідними конфігураціями зерномежевих уступів. Домінуючими елементами нанотопографії меж зерен є дисконекції з висотою уступів, меншою за міжплощинні відстані в ґратках співпадаючих вузлів, зв'язані з геометрично обумовленими дислокаціями. Атомні уступи, характерні для часткових моношарових дисконекцій, можуть виникати при розщепленні на межах зерен повних граткових дислокацій. На спеціальних межах зерен виявлене зерномежеве поліморфне перетворення, що здійснюється шляхом переміщення часткових дисконекцій.

3. У рамках моделі жорсткої зерномежевої релаксації отримане аналітичне рівняння, що описує в оберненому просторі залежність енергії міжатомної взаємодії в бікристалах від мікро- та макроскопічних параметрів структури меж зерен. Енергія міжзеренної адгезії в несумірній межі знижується зі зменшенням щільності пакування атомних шарів, що сполучаються на межах. Зерномежева дилатація на несумірних межах зерен монотонно зростає із зменшенням відстаней між площинами, паралельними межі. Виявлено збільшення зерномежевої дилатації, що супроводжує процес кластерізації вакансій у межі зерен.

4. Вперше в строгій постановці вирішена задача про атомну будову меж зерен загального типу. Були переборені принципові розрахункові труднощі, зв'язані з наближенням до нескінченності періоду ідентичності структури несумірних меж. Показано, що характерним для межі крутіння загального типу є високий ступінь локалізації дилатації. Поблизу межі зерен загального типу виявлені осциляції міжплощинних відстаней. На відміну від осциляцій на когерентних межах двійників, амплітуда осциляцій на несумірній межі значно менше величини міжзеренної дилатації. Період і декремент згасання осциляцій в обох випадках практично однаковий. Побудована узагальнена аналітична модель скомпенсованих лінійно розподілених поверхневих сил, що задовільно описує поля пружних деформацій біля меж зерен широкого класу (меж двійників, симетричних спеціальних меж зерен і меж зерен загального типу).

5. Методом високороздільного атомного зондування проведено аналіз особливостей хімічного складу в наноструктурованому двофазному надпровідному сплаві ніобій-титан. Встановлено, що параметр упорядкування атомів титана дорівнює одиниці, і у сплаві відсутні кластеризація атомів та хімічний близький порядок. У комп'ютерних експериментах вперше була встановлена можливість утворення зерномежевих фаз, структура і симетрія яких істотно відрізняється від об'ємних.

6. Методами високороздільної польової емісійної мікроскопії в об'ємному металевому склі ZrTiCuNiBe виявлені внутрішні межі поділу. Визначено енергію зв'язку атомів на міжкластерних межах. Виявлено наявність субкластерних неоднорідностей в будові об'ємного аморфного сплаву з характерним масштабом в нанометровому діапазоні.

7. Виявлено явище некінкового польового випаровування атомів на щільноупакованих гранях, що полягає в кращому випаровуванні не атомів на зломах сходинок, яким властива аномально висока стабільність, а сусідніх з ними атомів. Встановлено, що некінкове випаровування може трансформуватися в альтернативне польове випаровування, в результаті якого на поверхні формуються невідомі раніше атомні конфігурації з подвоєними міжатомними відстанями. Показано, що виявлені аномалії низькотемпературного польового випаровування зв'язані з нормальними до поверхні зсувами атомів на зломах сходинок. Цей ефект може бути використаний для кількісного визначення диференціального зсуву атомів. Встановлено, що аномальне зростання швидкості низькотемпературного польового випаровування атомних комплексів на грані (211) монокристалів вольфраму зі зменшенням їхніх розмірів зв'язано із змінами субатомних зсувів атомів на сходинках.

8. На атомному рівні досліджені елементарні акти ерозії поверхні при низьких температурах під дією бомбардування прискореними атомами та іонами гелію. Встановлено, що порушення регулярності розташування поверхневих атомів зв'язано з виділенням енергії утворення власних міжвузлових атомів при виході їх на поверхню. При енергіях іонів гелію нижче порога дефектоутворення істотний внесок в ерозію поверхні металів вносить механізм виділення енергії утворення міжвузлових атомів гелію. При великодозному бомбардуванні приповерхневі шари вольфраму служать пастками для атомів гелію. У результаті значна частина атомів гелію захоплюється в приповерхневому шарі кристала, що приводить до наноблистерінгу.

9. Систематичні дослідження анізотропії низькотемпературного польового випаровування металів з ОЦК ґратками - вольфраму і ГЦК ґратками – іридію показали, що мінімальний поріг значення напруженості поля, що випаровує, спостерігається в області виходу на поверхню полюсів щільноупакованих площин, що характеризуються максимальними значеннями міжплощинних відстаней.

10. Встановлено, що стрибкоподібне переміщення дислокацій супроводжується формуванням хвиль, що поширюються в площині ковзання . Показано високий ступінь просторової локалізації фронту хвилі, що може бути відповідальна за порушення поверхневих атомів, які ініціюють електричний вакуумний пробій в процесі високопольової обробки поверхні.

11. Розроблено метод обробки поверхні металів і сплавів хімічно стимульованим польовим випаровуванням для широкого класу систем. Показано, що хімічне стимулювання знижує електричне поле випаровування металів до рівня макроскопічної міцності матеріалу і забезпечує високий ступінь полірування поверхні. Розроблені фізичні основи формування поверхні металів дозволили вирішити ряд прикладних задач: створити мікрохірургічні інструменти нового покоління з атомно-гладкою ріжучо-колючою крайкою, польові емітери з локалізованою емісією і мікрозонди для скануючих тунельних мікроскопів.