Анотація до роботи:

Фоменко Л.С. Вплив структурних перебудов на низькотемпературну пластичність нових кристалічних матеріалів: надпружні сплави, металоксидні ВТНП, фулерити. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І.Вєркіна НАН України, Харків, 2002.

Дисертація присвячена проблемі встановлення фізичних механізмів, що визначають вплив перебудов граткової, домішкової і електронної структури на низькотемпературні механічні властивості ряду складних кристалічних матеріалів: сплавів на основі In, металоксидних ВТНП, фулериту С₆₀. На основі узагальнення результатів, отриманих за допомогою надійно апробованих методів механічних випробувань, систематизовано аномалії пластичної плинності і механічні ефекти, які є наслідком фазових перетворень і структурних перебудов, що протікають у вивчених матеріалах при зміні складу або під впливом зовнішніх факторів: температури, механічного напруження, магнітного поля. Запропоновано послідовну і несуперечливу мікроскопічну інтерпретацію виявлених ефектів. Зроблено висновок про те, що найбільш сильний вплив на низькотемпературну пластичність вивчених кристалів спричиняють процеси упорядкування. Систематично досліджені основні закономірності і механізми надпружної деформації у сплавах In-Pb, що характеризуються наявністю ближнього порядку типу кластеризації. Отримані результати дозволяють говорити про експериментальне виявлення і опис деформаційних властивостей нового класу сплавів, надпружна поведінка яких обумовлена псевдодвійникуванням. Цей клас надпружних матеріалів має перевагу у порівнянні з матеріалами з «мартенситною» надпружністю, яка полягає у відносно широкому температурному інтервалі реалізації даної властивості.

У дисертації отримано оригінальне рішення актуальної наукової проблеми, що полягає у встановленні фізичних механізмів, які визначають вплив перебудов граткової, домішкової і електронної структури на низькотемпературні механічні властивості складних кристалічних матеріалів. На основі узагальнення результатів, отриманих за допомогою надійно апробованих методів механічних випробувань, систематизовані аномалії пластичної плинності і механічні ефекти, що є наслідком фазових перетворень і структурних перебудов, які протікають у вивчених матеріалах (сплави на основі In, металоксидні ВТНП, фулерит С₆₀) при зміні складу або під впливом зовнішніх факторів: температури, механічного напруження, магнітного поля. Запропоновано послідовну і несуперечливу мікроскопічну інтерпретацію виявлених ефектів. Зроблено висновок про те, що найбільш сильний вплив на низькотемпературну пластичність вивчених кристалів справляють процеси упорядкування. Отримані результати можуть служити експериментальною базою для подальшого розвитку дислокаційної теорії пластичності і міцності стосовно до складних кристалічних об'єктів, вони також значно розширюють уявлення про фазові перетворення у кристалічних твердих тілах. Практична значимість роботи визначається вперше отриманими відомостями про низькотемпературні механічні властивості сучасних перспективних матеріалів, а також розробленими принципами пошуку нових матеріалів із властивістю надпружності.

Основні результати роботи представлені нижче у вигляді кількох груп положень, об'єднаних, виходячи з природи ефекту, що спостерігається.

I. Аномалії пластичної плинності поблизу критичних точок фазових переходів виявляються у вигляді розмитих сходинок на залежностях механічних характеристик матеріалу від температури, концентрації компонентів або інших параметрів, зміна яких приводить до фазового переходу. Величина ефекту (стрибкоподібної зміни механічного параметра) у досліджених матеріалах складала приблизно 30-50 %.

1. Докладно вивчена аномалія на температурній залежності мікротвердості кристалів С₆₀, що полягає у різкому збільшенні H_V поблизу температури T_c » 260 К фазового переходу ГЦКПК, пов'язаного з орієнтаційним упорядкуванням молекул С₆₀. Ця аномалія була інтерпретована як наслідок наявності динамічної компоненти сили тертя дислокації, яка обумовлена взаємодією пружного поля дислокації з полем параметра порядку й обчислена поблизу точки переходу у рамках теорії Ландау безперервних фазових переходів.

2. Виявлено стрибок на концентраційній залежності і посилення температурної залежності мікротвердості кристалів YBa₂Cu₃O_7-d в інтервалі 0,3 < d < 0,4, що відповідає орто II орто I переходу. Виявлена особливість інтерпретована як наслідок впливу упорядкування атомів кисню в ланцюжках Cu-O на характеристики потенціального рельєфу ґратки, структуру ядра і рухливість дислокацій.

3. Установлено, що границі текучості кристалів In, які деформуються у нормальному і надпровідному станах, відрізняються майже в два рази, що є максимальною відносною величиною ефекту у порівнянні з інших надпровідниками.

II. Динамічні деформаційні ефекти є наслідком локальних перебудов домішкової або орієнтаційної структури кристалів у пружних полях рухомих дислокацій і проявляються як специфічні особливості у кінетиці пластичної деформації.

1. У сплавах на основі In спостережено і досліджено ряд ефектів, обумовлених процесом динамічного деформаційного старіння (ДДС): післярелаксаційний ефект; нестабільність пластичної плинності; аномалії на температурних залежностях термоактиваційних параметрів. Уперше показано, що кінетика ДДС у сплавах на основі In описується рівнянням (9) з показником степеня n = 1/3 і низькими значеннями енергії активації процесу. Це забезпечує низьку температуру початку прояву ДДС ~ (0,1-0,17)Т_m, де Т_m – температура плавлення, і свідчить про канальний характер дифузії домішок.

2. У кристалах С₆₀ при Т₀ » 160 K уперше виявлена особливість у вигляді зламу на залежності H_V(T). Ця особливість знайшла якісне пояснення на основі уявлень про різке зростання при Т < 160 K динамічної компоненти сили тертя дислокації, обумовленої термічно активованою релаксацією у системі пентагонних і гексагонних конфігурацій молекул, рівновага між якими порушується пружним полем дислокації.

III. Кінетичні ефекти обумовлені нерівноважним станом матеріалу і пов'язані з протіканням процесів перебудови структури або фазових перетворень. В експериментах такі ефекти проявляються у зміні фізико-механічних параметрів у часі при постійних значеннях температури і зовнішніх параметрів.

1. Уперше методами механічних випробувань вивчена кінетика близького упорядкування в сплавах In-Pb, виведених з рівноважного стану псевдодвійниковим зсувом, і показано, що процес відновлення рівноваги описується реакцією першого порядку (рівняння (9) з n =1) з параметрами, що відповідають об'ємній дифузії домішкових атомів на відстані, порівняні з міжатомними.

2. Виявлено і вивчено раніше не відоме структурне перетворення у сплаві In-4,3 ат. % Cd. Перетворення є ізотермічним і дифузійно контрольованим. Кінетика переходу у низькотемпературний стан, зареєстрована резистометричним методом, описується рівнянням Аврамі (9) з показником степеня n d 2, що вказує на складний характер переходу: утворення зародків нової фази і їх ріст. Структурне перетворення інтерпретовано як розпад твердого розчину з утворенням фази, збагаченої Cd.

IV. Псевдодвійникування як особливий вид мартенситного перетворення, що відбувається тільки під дією зовнішнього напруження. Вивчено умови реалізації і закономірності псевдодвійникування у сплавах In-Pb з близьким порядком типу кластеризації. Виявлено принципові відмінності між пластичною деформацією шляхом ковзання, двійникування і псевдодвійникування. Встановлено атермічний характер псевдодвійникування, властивий також звичайним мартенситним перетворенням.

V. Гістерезисні ефекти у твердих тілах можуть бути наслідком нерівноважного стану системи і/або необоротних втрат, пов'язаних з перебудовами структури, які протікають під дією зовнішніх факторів (температури, механічного напруження та ін.). Термодинамічний гістерезис при фазових перетвореннях у твердих тілах може бути обумовлений також наявністю енергії внутрішніх напружень, що виникають при утворенні включень нової фази.

1. Виявлено температурний гістерезис фізико-механічних властивостей у сплаві In-4,3 ат. % Cd в інтервалі 130-290 К. Цей гістерезис обумовлений кінетичними процесами, що протікають у зразках при зміні температури.

2. В інтервалі температур 0,48-180 К вивчено механічний гістерезис у висококонцентрованих сплавах In-Pb. Оцінено параметри механічного гістерезису: термодинамічне напруження t_Т, обумовлене порушенням при псевдодвійниковому зсуві рівноважного близького порядку, і напруження тертя t_f, що характеризує опір, який чинять кристалічна ґратка та її дефекти руху двійникових границь. Уперше показано, що з ростом концентрації Pb t_Т збільшується, а t_f зменшується. Останнє свідчить про зв'язок сили тертя з далекодіючими пружними полями дислокацій.

VI. Низькотемпературна надпружність. Полягає в оборотності великих пластичних деформацій, що протікають шляхом псевдодвійникування. У дисертації детально і систематично досліджені механізми надпружної деформації у сплавах In-Pb. Отримані результати дозволяють говорити про експериментальне виявлення й опис деформаційних властивостей нового класу надпружних сплавів. Цей клас надпружних матеріалів має перевагу у порівнянні з матеріалами з «мартенситною» надпружністю, яка полягає у відносно широкому температурному інтервалі реалізації даної властивості.

Публікації автора:

1. Кузьменко И.Н., Лубенец С.В., Пустовалов В.В., Фоменко Л.С. Влияние сверхпроводящего перехода на скольжение и двойникование индия и его сплавов // ФНТ. – 1983. – Т. 9, № 8. – С. 865-872.

2. Fomenko L.S., Lubenets S.V., Startsev V.I. Transition from superelastic to irreversible twinning in In-Pb alloys as a relaxation-like process // Scripta Met. – 1984. - Vol. 18, № 5. – P. 535-538.

3. Фоменко Л.С., Лубенец С.В. Переход от скольжения к двойникованию в сплавах In-Pb // ФММ. – 1984. – Т. 57, № 6. – С. 1193-1197.

4. Lubenets S.V., Startsev V.I., Fomenko L.S. Dynamics of twinning in metals and alloys // Phys. Stat. Sol. (a). – 1985. – Vol. 92, № 11. – P. 11-55.

5. Лубенец С.В., Фоменко Л.С. Релаксация напряжений в сплавах на основе индия в условиях деформационного старения // ФММ. – 1986. – Т. 61, № 5. – С. 971-978.

6. Лубенец С.В., Фоменко Л.С. Кинетика деформационного старения в сплавах индий-олово // ФММ. – 1986. – Т. 62, № 2. – С. 377-383.

7. Lubenets S.V., Fomenko L.S. Strain aging kinetics in indium-based alloys // Czech. J. Phys. B – 1986. – Vol. 36, № 4. – P. 493-497.

8. Лубенец С.В., Фоменко Л.С., Старцев В.И. Влияние циклического нагружения на параметры сверхупругой деформации сплавов индий-свинец // ФММ. – 1987. – Т. 64, № 5. – С. 975-982.

9. Демирский В.В., Кауфманн Х.-Й., Лубенец С.В., Нацик В.Д., Фоменко Л.С. Микротвердость и микрохрупкость монокристаллов высокотемпературного сверхпроводника YBaCuO // ФТТ. – 1989. – Т. 31, № 6. – С. 263-265.

10. Демирский В.В., Лубенец С.В., Нацик В.Д., Сорин М.М., Фоменко Л.С., Чайковская Н.М. Пластические и прочностные характеристики монокристаллов и керамик высокотемпературных сверхпроводящих металлоксидов // СФХТ. – 1990. – Т. 3, № 1. – С. 84-88.

11. Лубенец С.В., Нацик В.Д., Сорин М.Н., Фоменко Л.С., Чайковская Н.М., Кауфманн Х.-Й., Фишер К. Неоднородность микромеханических свойств кристаллов и керамики высокотемпературных висмутсодержащих сверхпроводников // СФХТ. – 1990. – Т. 3, № 8, ч. 2. – С. 1857-1862.

12. Fomenko L.S., Kaufmann H.-J., Lubenets S.V., Natsik V.D., Orlova T.S., Peschanskaya N.N., Shpeizmann V.V., Smirnov B.I. Microplasticity of high T_c superconductors in the temperature range 77-300 K // Acta Universitatis Carolinae – Mathematica et Physica. – 1991. – Vol. 32, № 1. – P. 131-137.

13. Фарбер Б.Я., Сидоров Н.С., Кулаков В.И., Иунин Ю.А., Изотов А.Н., Емельченко Г.А., Бобров В.С., Фоменко Л.С., Нацик В.Д., Лубенец С.В. Микротвердость монокристаллов и керамики YBCO в интервале температур 77-300 К // СФХТ. – 1991. – Т. 4, № 12. – С. 2394-2403.

14. Лубенец С.В., Нацик В.Д., Фоменко Л.С., Сорин М.Н., Чайковская Н.М., Бобров В.С., Изотов А.И., Жохов Л.А. Микропластичность и микрохрупкость кристаллов YBCO в интервале температур 77-300 К // СФХТ. – 1993. – Т. 6, № 7. - С. 1406-1415.

15. Bobrov V.S., Goncharov V.A., Emelchenco G.A., Fomenko L.S., Ivanov A.P., Izotov A.N., Osipyan Yu.A., Sidorov N.S., Suvorov E.V., Shekhtman V.Sh., Zavelskaya L.N., Zverkova I.I. Deformation and structure of YBCO ceramics and single crystals in the temperature range 300-1200 K // Physica B. – 1994. – Vol. 194-196. – P. 2095-2096.

16. Лубенец С.В., Нацик В.Д., Фоменко Л.С., Бобров В.С., Изотов А.И. Влияние содержания кислорода на микротвердость монокристаллов YBa₂Cu₃O_7-d в интервале температур 77-293 К // ФНТ. – 1995. – Т. 21, № 3. – С. 324-330.

17. Фоменко Л.С., Нацик В.Д., Лубенец С.В., Лирцман В.Г., Аксенова Н.А., Исакина А.П., Прохватилов А.И., Стржемечный М.А., Руофф Р.С. Корреляция низкотемпературных аномалий микропластичности со структурными превращениями в кристаллах С₆₀ // ФНТ. – 1995. – Т. 21, № 4. – С. 465-468.

18. Bobrov V.S., Dilanyan R.A., Fomenko L.S., Iunin Yu.L., Lebyodkin M.A., Lubenets S.V., Orlov B.I., and Ossipyan Yu.A. Mechanical properties and deformation of fullerites // J. Supercond. – 1995. – Vol. 8, № 1. – P. 1-3.

19. Лубенец С.В., Нацик В.Д., Фоменко Л.С. Модули упругости и низкотемпературные аномалии акустических свойств высокотемпературных сверхпроводников // ФНТ. – 1995. – Т. 21, № 5. – С. 475-497.

20. Нацик В.Д., Лубенец С.В., Фоменко Л.С. Влияние ориентационного упорядочения молекул на подвижность дислокаций в фуллерите С₆₀ // ФНТ. – 1996. – Т. 22, № 3. – С. 337-344.

21. Natsik V.D., Lubenets S.V., Fomenko L.S. Relaxation drag of dislocation in C₆₀ crystals at low temperatures // Phys. Stat. Sol. (a). – 1996. – Vol. 157, № 2. – P. 303-309.

22. Lubenets S.V., Natsik V.D., Fomenko L.S., Kaufmann H.-J., Bobrov V.S., Izotov A.N. Influence of oxygen content and structural defects on low-temperature mechanical properties of high-temperature superconducting single crystals and ceramics // ФНТ. – 1997. – Т. 23, № 8. – С. 902-908.

23. Лубенец С.В., Нацик В.Д., Фоменко Л.С., Исакина А.П., Прохватилов А.И., Стржемечный М.А., Аксенова Н.А., Руофф Р.С. Структура, системы скольжения и микротвердость кристаллов С₆₀ // ФНТ. – 1997. – Т. 23, № 3. –С. 338-351.

24. Фоменко Л.С., Лубенец С.В., Бобров В.С., Изотов А.Н. Микротвердость соединений La₂CuO₄ и La_1,85Sr_0,15CuO₄ при температурах 81-292 К // ФТТ. - 1998. – Т. 40, № 3. –С. 493-497.

25. Isakina A.P., Lubenets S.V., Natsik V.D., Prokhvatilov A.L., Strzhemechny M.A., Fomenko L.S., Aksenova N.A., Soldatov A.V. Structure and microhardness of low pressure polymerized fullerite C₆₀ // ФНТ. – 1998. – Т. 24, № 12. – С. 1192-1201.

26. Lubenets S.V., Natsik V.D., Pal-Val P.P., Pal.-Val L.N., Fomenko L.S. Low temperature structure transformation in In-Cd solid solutions // Mat. Sci. and Eng. A. – 1998. – Vol. 256, № 1-2. – P. 1-7.

27. Лубенец С.В., Нацик В.Д., Паль-Валь П.П., Паль-Валь Л.Н., Фоменко Л.С. Изучение структурной нестабильности сплавов In-Cd акустическим, резистивным и микромеханическим методом // Известия РАН, сер. физ. – 2000. – Т. 64. – С. 1718-1721.

28. Фоменко Л.С. Низкотемпературное деформационное старение в сплавах In-Pb в условиях релаксации напряжений // ФНТ. – 2000. – Т. 26, № 12. – С. 1245-1255.

29. Фоменко Л.С. Кинетика деформационного старения в сплавах In-Pb // Конденсированные среды и межфазные границы. – 2001. - Т. 3, № 3. – С. 248-250.

30. Фоменко Л.С., Нацик В.Д., Лубенец С.В. Низкотемпературный механический гистерезис // ФНТ. – 2001. – Т. 27, № 12. – С. 1430-1441.

31. Лубенец С.В., Фоменко Л.С. Деформационное старение в сплавах In-Sn и In-Pb // Взаимодействие дефектов кристаллической решетки и свойства металлов. – Тула: ТПИ. - 1985. - С. 132-135.

32. Fomenko L.S., Kaufmann H.-J., Lubenets S.V., Natsik V.D. Micromechanical properties of Re-Ba-Cu-O high-T_c superconductors // Proc. ICMC’90 Topic Conf. “HTSCs. Material Aspects”. – Garmisch-Partenkichen (FRG). – 1990. – P. 41-46.

33. Лубенец С.В., Старцев В.И., Фоменко Л.С. Динамика деформационного старения в сплавах In-Pb // Внутреннее трение и дислокационная структура металлов. – Тула: ТПИ. - 1990. – С. 44-49.

34. Бойко В.С., Лубенец С.В., Нацик В.Д., Фоменко Л.С. Закономерности деформационного упрочнения при двойниковании сверхупругих сплавов In-Pb в условиях циклического нагружения // Доклады всесоюзной конференции по мартенситным превращениям в твердом теле «Мартенсит 91». – Киев: Институт металлофизики АН Украины. – 1992. – С. 382-385.

35. Fomenko L.S., Lubenets S.V., Natsik V.D. Microplasticity and fracture toughness of HTSCs at low temperature // Proc. International Conf. “Physics in Ukraine”. - Kiev: Bogolyubov Institute for Theoretical Physics. – 1993. – P. 107-110.

36. Fomenko L.S., Lubenets S.V., Natsik V.D. Microplasticity and microbrittleness of HTSC single crystals and ceramics: influence of microstructural inhomogeneities and temperature // Solid State Phenomena, Rabier J., George A., Brechet Y., and Kubin L. (eds.). - Vol. 35-36. – Switzerland: Scitec Publucation Ltd, 1994. – P. 513-518.

37. Bobrov V.S., Dilanyan R.A., Fomenko L.S., Lebyodkin M.A., Lubenets S.V., and Orlov V.I. On the mechanical properties of C₆₀ fullerite crystals // Solid State Phenomena, Rabier J., George A., Brechet Y., and Kubin L. (eds.). - Vol. 35-36. – Switzerland: Scitec Publucation Ltd, 1994. – P. 519-526.

38. Fomenko L.S., Natsik V.D., Lubenets S.V., Aksenova N.A., Isakina A.P., Prokhvatilov A.I., Strzhemechny M.A., Ruoff R.S. Structural and plastic properties of C₆₀ crystals // Recent Advances in the Chemistry and Physics of Fullerenes and Related Materials, edited by Kadish K.M. and Ruoff R.S. (Proc. 187^th ECS Meeting, Symp. Fullerenes: Chemistry, Physics, and New Directions VII). – Vol. 2. – Pennington NY: - The Electrochemical Society, Inc, 1995. – P. 926-934.