Реферат: Дiя атомiв у навколишньому середовищi
Реферат: Дiя атомiв у навколишньому середовищi
РЕФЕРАТ
на тему:
Дiя атомiв у навколишньому середовищi
вступ…………………………………………………………………………...............2
1. Огляд літератури…………………………………………………………………..3
1.1 Загальні уявлення про ближній порядок………………………………………...3
1.2 Вплив упорядкування атомів на електроопір сплавів…………………………..8
1.3 Вплив опромінення швидкими частинками на впорядкування сплавів……….9
1.4 Діаграма стану Ag-Zn……………………………………………………………11
2. Методика експерименту…………………………………………………………..14
2.1 Метод електроопору……………………………………………………………..14
2.2 Термообробка зразків……………………………………………………………17
2.3 Опромінення зразків……………………………………………………………..17
3.Хід експерименту…………………………………………………………………..19
3.1 Приготування зразків……………………………………………………………19
3.2 Результати досліджень сплаву AgZn методом електроопору………………...19
3.3 Обговорення результатів………………………………………………………...26
4. Висновки…………………………………………………………………………...28
5. Перелік посилань………………………………………………………………….29
Вступ.
Численні експериментальн дослідження довели, що порядок в розміщенні атомів у сплавах істотно впливає на х властивості. При впорядкуванні спостерігаються вагомі зміни магнітних, електричних та інших властивостей сплавів. Тому як експериментальне, так теоретичне вивчення впорядкування атомів та його впливу на властивості сплавів має великий практичний інтерес для отримання матеріалів з потрібними властивостями. Існування ближнього порядку обумовлено фундаментальними особливостями атомної, електронної та спінової структур, і тому дані про ближній порядок можуть бути використані для вивчення характеру і природи міжатомних взаємодій в кристалах, та пов’язаних з ними особливостей сплавів. Ці дані можуть бути отримані на основі комплексних досліджень, а саме досліджень кінетики встановлення ближнього порядку, поведінки сплавів після деформації, відпалу, гартування, опромінення та інших видів обробок. Використовуючи цю інформацію, а також варіюючи склад, концентрацію, температуру та інші фактори, можна дістати певні уявлення про тип ближнього порядку, про пріоритети та тенденції в розміщенні атомів для певного виду сплавів.
Сплави на основі благородних металів вже не один раз використовувались для перевірки різних моделей, теорій твердих розчинів та атомного впорядкування. Цікавість до сплаву Ag-Zn обумовлена кількома причинами. Незважаючи на те, що ця система відома досить давно [1] та багато параметрів для неї є визначеними, все ж цього недостатньо, оскільки, наприклад, параметри ближнього порядку визначались лише для одиничних концентрацій. До того ж відомостей про особливості a-, x- фаз недостатньо для уявлення чітко картини процесів близького впорядкування в межах досліджуваних концентрацій. Не менш цікавим є і практичне застосування сплаву. Найбільш широко сплави з срібла застосовують у виробництві припоїв. Срібні припої в більшості містять в якост легуючих домішок Cu, Zn, Cd, і застосовуються в реактивній техніці та літакобудівництві (необхідне поєднання корозійної стійкості, міцності при високих температурах та вібростійкості). Срібно-цинкові елементи в 5-6 разів легше звичайних, які використовуються в акумуляторах реактивних літаків, керованих снарядах, торпедах [2]. Крім цього відомо, що сірчані сполуки провокують корозію срібла. Потускніння та втрата відбиваючої здатності в повітрі пов’язані з наявністю сірчаних сполук (поряд з вологою та киснем) та утворенням плівки Ag2S. Підвищення стійкості до потускніння досягається введенням Zn, Pb, Cd [2]. Також був відкритий ефект пам’яті форми для сплаву Ag - 38 ат. % Zn [3]. Отже, сплав представляє не тільки теоретичний нтерес з точки зору внутрішньої будови, але й має широке застосування.
В роботі для аналізу структурних змін використовується метод електроопору. Поряд з іншими методами (рентгенівські, мікроскопічні) - це один з найчутливіших. В той же час він порівняно простий, не потребує складних методик. Однак чіткий однозначний зв’язок між зміною електроопору та внутрішніми перетвореннями структури сплаву ще й досі не встановлений, для кожного сплаву він різний. До того ж він суттєво залежить від умов вимірювання (наприклад, температури, тиску), складу та попередньої обробки сплаву. Як відомо, діаграма сплаву є дещо наближеним відображенням границь снування твердих розчинів. При нерівноважних процесах (швидке охолодження) це особливо помітно. Трапляється, що в сплаві немає різких границь між фазами, а фаза, що утворилася поблизу цієї границі, поступово приймає характеристики сусідньої фази. Дослідження сплавів по вивченню ближнього порядку може збагатити уявлення про специфіку міжфазних переходів та якомога точніше визначити області існування твердих розчинів. Опромінення ж є важливою складовою аналізу сплавів на стійкість утворених фаз, швидкість їх утворення, розпаду та інш. Використовуючи вплив опромінення на зміну ступеня ближнього порядку, можна отримати більш детальну картину процесів для даного сплаву, що по суті і є метою роботи.
1. Огляд літератури.
1.1 Уявлення про ближній порядок.
Теорія ближнього порядку, як і теорія явища упорядкування в цілому, на даний момент розглядається в чотирьох напрямках. По-перше, це розгляд ближнього порядку з структурної точки зору, що виявляє структурні характеристики локального розподілу атомів, побудову твердих розчинів (в масштабі міжатомних відстаней) при наявності в них неоднорідностей, порівняних з розмірами атому. Другий напрямок - це встановлення зв’язків між параметрами (характеристиками) ближнього порядку та енергією впорядкування, що вводять як параметр теорії [4] - цей напрямок складає статистична теорія ближнього порядку. Третій напрямок - теоретичний аналіз факторів, що приводять до появи ближнього порядку, тобто аналіз природи явища ближнього порядку. Четвертий напрям - це кінетика ближнього порядку [4].
Розрізняють два основних класи впорядкованого розміщення атомів в решітці твердих розчинів - дальній і ближній порядок [5-6]. Якщо кожна з підрешіток в кристалічній гратці твердого розчину заповнюється переважно атомами певного сорту, то виникаючий розподіл атомів називають дальнім порядком. Але, як показують численні експерименти та ряд теоретичних міркувань, ступінь ближнього порядку не повністю визначає характер взаємного розташування атомів різного сорту по вузлам кристалічної гратки. Енергія взаємодії між атомами різного сорту різна, і тому кожен атом намагається оточити себе атомами або іншого сорту, або подібними. Різниця в енергії між атомами різного та одного сорту може стати причиною переважної локально концентрації атомів того чи іншого сорту, навіть якщо в твердому розчин загалом не існує дальнього порядку. Такий розподіл називають ближнім порядком. Але частіше в реальних твердих розчинах не спостерігається чисто ближній або дальній порядок, тому ведуть мову про кореляцію у взаємному розміщенні атомів. Лише в найпростіших випадках ближній порядок розповсюджується на 1-2 координаційні сфери, частіше ця кореляція відчувається і на більш далеких відстанях. Для кількісної оцінки ступеню ближнього порядку вводять деяк параметри, наприклад параметр Каулі αі = 1 - Ni/N CiCАCВ = 1 - Pi/Cb , де Ni - число пар атомів А і В (де А і В - атоми двох сортів), що знаходяться на відстані ri ; N CiCАCВ - числа пар атомів А і В, які б знаходилися на відстані ri при хаотичному розміщенні їх по вузлам решітки (N - загальна кількість атомів, СА,СВ - концентрації атомів сорту А, В; Сі - число вузлів на і-й координаційній сфері, Рі - імовірність знаходження атому В на відстані ri від атому А, що знаходяться в початку координат (усереднене по всім атомам і-ї координаційної сфери значення імовірност знаходження атому В біля атому А). З цього визначення параметрів ближнього порядку випливає, що αі<0, якщо найближчі сусіди - атоми ншого сорту, та αі>0, якщо найближчі сусіди - атоми одного сорту. Знак αі для і=2,3,4,… складним чином залежить від параметра впорядкованого розміщення атомів.
Залежність параметрів αі від радіусу координаційної сфери різна для різних типів упорядкування, і це да можливість по вигляду α(ri) визначити надструктуру, що прототипом відповідного ближнього порядку [4].
Оскільки характеристики ближнього порядку не пов’язані з розташуванням атомів в структурно-нееквівалентних місцях гратки, то ближній порядок може існувати в будь-яких твердих розчинах при довільній концентрації елементів.
Про можливість існування ближнього порядку вже відомо досить давно [5, 8]. В перших теоріях дальнього порядку вже були розрахунки та деякі міркування про ближній порядок. Безпосередні виміри параметрів ближнього порядку по інтенсивності дифузного розсіяння рентгенівських променів почалися дещо пізніше [1, 7]. Спочатку їх було дуже небагато через велику кількість прецезійних вимірів та великого об’єму розрахунків. Перші роботи в цій області, здавалося, свідчили про те, що вс явища відбуваються у відповідності до законів класичної термодинаміки: вище точки Кюрі-Курнакова в сплавах, що упорядковуються, спостерігається ближній порядок, параметри якого спадають як 1/T зі зростанням температури. Припускалося, що ближній порядок впливає на фізичні властивості, при цьому цей вплив є аналогічним впливові дальнього порядку, але виявляє себе не так сильно. Наприклад, при утворенні ближнього порядку повинні спадати електроопір, зростати характеристична температура, тощо. Думки про такий вплив ближнього порядку на властивості сплавів широко розповсюджені і зараз.
Побутує думка, що ближній порядок встановлюється надзвичайно швидко через малу довжину дифузійного шляху, при цьому практично завжди мають справу з ближнім порядком. Однак в міру зростання кількості робіт по вивченню ближнього порядку, поступово з’ясовується, що ситуація виявляється більш складною, і якщо іменувати ближнім порядком деякий розподіл атомів, що відрізняється від хаотичного в твердих розчинах, то потрібно не лише відрізняти ближній порядок та ближнє розшарування (αJ>0), але й вести мову про структуру цього порядку, тобто про можливість існування нерівномірного розподілу по різних напрямках у кристалі, що визначається як номером координаційної сфери та симетрією кристалу, так і характером дефектів у зразку. Слід звернути увагу на те, що сплав в термодинамічній рівноваз фактично отримати так само важко, як і сплав, що не має дефектів решітки, а вс дефекти решітки істотно впливають на ближній порядок, його величину та структуру. Тому інтерпретація тих відомостей, що накопичені на даний момент, виявляється вельми важкою. Тут варто зазначити, що багато висновків про вплив ближнього порядку на фізичні властивості, по суті справи, отримані з евристичних міркувань, і тлумачення результатів вимірів часто є довільним, оскільки в багатьох випадках не мають можливості паралельно досліджувати фізичні властивості та ступінь ближнього порядку. А для отримання однозначних висновків про вплив ближнього порядку на фізичні властивості обов’язково потрібні паралельні виміри або на тих самих зразках, або на зразках, що пройшли однакову обробку.
Вельми суттєвим є питання про характер розміщення атомів різного сорту в сплавах з ближнім порядком [8-11].
В літературі [4] такі модел взаємного розташування атомів, що можуть бути охарактеризовані терміном ближній порядок”: а) гомогенний “рідиноподібний” ближній порядок, при якому всі вузли решітки кристалу є рівноправними і кожен з них може бути обраний за початковий; б) розподіл атомів у вигляді малих областей однакового складу з правильним розташуванням атомів на їх границях; в) розподіл атомів у вигляд подібних областей з правильно розташованими атомами, що розділені прошарками з неупорядкованим розташуванням атомів різного сорту; г) розподіл атомів у вигляді аналогічних областей, але з поступовим погіршенням правильності при наближенні до периферії областей; д) розподіл атомів у вигляд субмікрообластей, що розрізняються по складу, ступеню та типу порядку. Ймовірн проміжні випадки.
Як показано у [4], рівноважний ближній порядок визначається мінімумом вільної енергії.
Ближній порядок виникає за рахунок різниці в міжатомних взаємодіях, існуючи між атомами різного сорту в твердих розчинах. Тому проблема взаємодій, обумовлених ближнім порядком, тісно пов’язана з проблемою міжатомних взаємодій в реальних твердих розчинах, однією з найбільш фундаментальних проблем фізики конденсованих середовищ.
Експериментальні дані свідчать про те, що такі впливи, як деформація, опромінення, різна термічна обробка, істотно впливають на локальний розподіл атомів по вузлам решітки. Деформація приводить до зменшення ступеня ближнього порядку; аналогічно впливає факт підвищення температури (але не для всіх сплавів). Більш того, виявлені випадки немонотонної температурної залежності окремих параметрів αі. Встановлена немонотонна зміна ступеня порядку з температурою загартування. Це явище в багатьох випадках пояснюють “доупорядкуванням” в процесі гартування від високої температури за рахунок міграції надлишкових вакансій. Виявлено підсилення ступеня порядку при опроміненні при кімнатних температурах в CuAl [6].
Ретельно проаналізувавши численні експериментальні дані, автори [6] зобразили таку схему встановлення ближнього порядку в сплаві в процесі відпалу після деформації або нших обробок, наприклад опромінення нейтронами та в ряду випадків після загартування [12]. Процес починається зі зростання ступеня ближнього порядку на першій координаційній сфері, який швидше йде в насичених дефектами областях кристалу. Потім він розповсюджується на інші координаційні сфери. Поступово впорядкування починає йти в неспотворених областях кристалу, в яких швидкість дифузійних процесів менше, ніж у спотворених. Одночасно йдуть процеси утворення концентраційних неоднорідностей, а також процеси розсмоктування дефектів, внесених обробкою. Однак вони відбуваються повільніше, ніж процес встановлення ближнього порядку, оскільки останній пов’язаний з міграцією атомів на значно менші відстані. Поява областей різного складу та ступеня порядку в свою чергу може призвести до зміни енергії впорядкування, оскільки остання пов’язана з електронною та спіновою взаємодією, що залежить від складу. Ці ефекти особливо відчутні з суттєво різними фізичними характеристиками компонентів. Поблизу дефектів енергія впорядкування також може відрізнятись від енергії в неспотвореному твердому розчині. Характер остаточної релаксації при відпалі, що визначається прагненням вільної енергії до мінімуму, буде залежати від досягнутого на початковій стадії стану. Якщо на цій стадії неоднорідност дійсно виникли (в достатній кількості), то в подальшому енергія твердого розчину може знижуватись або за рахунок розсмоктування неоднорідностей, або внаслідок зміни типу впорядкування в деяких областях розчину (наприклад, по типу сусідньої фази). У сплавах з малою швидкістю дифузії останній з цих процесів може бути енергетично вигіднішим, тоді неоднорідності не будуть розсмоктуватись протягом тривалого часу. Ще невідомо, чи завжди в однорідному твердому розчині ці неоднорідності будуть розсмоктуватись до кінця. Можливим наслідком вкладу енергії дефектів та неоднорідностей може бути поява ближнього впорядкування по типу фаз, що не спостерігаються на рівноважній діаграмі стану.
В роботі [8] були виміряні параметри α1 та побудована залежність α1 від температури відпалу для Cu3Al. Отримана складна залежність, пов’язана, за думкою авторів, з необхідністю збільшення часу для встановлення дійсно рівноважних значень ступеня ближнього порядку. На прикладі NiPt було показано, що αі при ізотермічному відпалі (принаймні після деформації) проходить через максимум, і навіть відпал при Т=700оС протягом 50 годин не доводить сплав до повної рівноваги.
Таким чином, необхідно відзначити, що для досягнення постійних значень αі при відпалі після деформації необхідно досить багато часу. Визначено[6], що αі ма складну залежність, що не вичерпується простим співвідношенням αі~1/T. Складна залежність αі як приклад, подана в [8]. В CuAl виявлено аномалію теплоємності. Ці факти ще раз свідчать про необхідність комплексних вимірів фізичних властивостей ближнього порядку. Різні дефекти решітки (вакансії, дислокації, дефекти упаковки, тощо) істотно впливають на кінетику встановлення ближнього порядку та на структуру розподілу атомів в решітці, що досягається в певні скінченні проміжки часу. Ряд процесів, що відбуваються в однофазних твердих розчинах, імовірно є аналогічними процесам, що відбуваються в сплавах, що розпадаються поблизу границі розчинності. В однофазних твердих розчинах при відпалі після деформації має місце спрямована дифузія, тому можуть виникнути концентраційні неоднорідності та області, збагачені (збіднені) другим компонентом, в яких виникає значний ближній порядок. В міру зростання температури такі утворення можуть розсмоктуватися, що супроводжується зниженням ступеня порядку. Ці явища і обумовлюють складну залежність ступеня порядку від температури і часу.
