Вплив упорядкування атомів на електроопір сплавів

1.2 Вплив упорядкування атомів на електроопір сплавів

Основні закономірності, що виявляються при дослідженні електроопору металів та сплавів, можна якісно зрозуміти, беручи до уваги хвильові властивості електронів провідності. Електронна хвиля утворює в просторі потенціал, що є періодичною функцією координат. Така ідеальна кристалічна решітка не має електроопору. Коли ж кристалічна решітка металу або сплаву містить які-небудь спотворення, що ведуть до порушення періодичності потенціалу, то з’являється розсіяння електронних хвиль, що обумовлює електроопір. Існує три основних види спотворень кристалічної гратки, що приводять до появи електроопору: 1) тепловий рух атомів; 2) порушення періодичності, пов’язане з чергуванням атомів різного сорту або наявністю вакансій (дірок) на вузлах кристалічної гратки, а також з наявністю впроваджених атомів, та 3) статичні спотворення решітки, що пов’язані зі зміщенням центрів коливань атомів від їх правильних місцезнаходжень.

В чистих металах, що не мають статичних спотворень та дірок, повинна існувати лише перша з вищезгаданих причин. Відповідний електроопір металу буде залежати і при абсолютному нулі повинен зовсім зникнути. Друга причина розсіяння електронів, що має місце в неповністю впорядкованих металах та сплавах, які мають дірки в вузлах та атоми в міжвузлових положеннях решітки, обумовлює додатковий електроопір, що залишається і при Т=0^оК. До цього ж результату веде і наявність статичних спотворень решітки. Електроопір, що залишається при Т=0^оК, називають залишковим електроопором. Залишковий електроопір може бути визначений з вимірів електроопору при низьких температурах та екстраполяції результатів до температури абсолютного нуля. Вплив неоднорідностей решітки, що пов’язані з порушенням порядку в чергуванні атомів та статичними спотвореннями, на електроопір при високих температурах, можна дослідити, усунувши пов’язану з тепловим коливанням атомів частину електроопору загартуванням до низьких температур.

Існують три основних, додаткових, в порівнянні з чистими металами, фактори, комбінації яких визначають особливості поведінки електроопору при відпалі, деформації або опроміненні твердих розчинів. Першим з них є зміна перерізу розсіяння електронів при встановленні або руйнуванні ближнього порядку (зміна ∆α_і>0 призводить до ∆ρ>0, та ∆α<0 до ∆ρ<0). Другим фактором є зміна концентрації електронів провідності, що виникає за рахунок зміни електронної структури, обумовленої перерозподілом атомів в кристалічній решітці твердих розчинів (зміною ближнього порядку, появою чи руйнуванням концентраційних неоднорідностей). При цьому зниження електронної концентрації n* веде до зростання електроопору ρ і навпаки.

В бінарних невпорядкованих спавах А-В типу заміщення з необмеженою розчинністю компонентів залишковий електроопір ρ_о повинен істотно залежати від складу сплаву. Як добавлення атомів В до чистого металу А, так і додавання атомів А до чистого металу В порушує правильність кристалічної решітки і ρ_о повинне в обох випадках зростати від 0 (для неспотворених металів), досягаючи максимуму в середній частині концентраційної діаграми. Дослідження сплавів Ag-Au різного складу [16] підтверджують це.

Аналізуючи поведінку ρ_о (С_А) або ρ_о (С_В) в сплаві АВ в літературі [17] помічено декілька цікавих особливостей, які в основному пояснюються впливом дальнього порядку. Це, наприклад, поява різких мінімумів поблизу точок, що відповідають стехіометричному складу. Була виявлена ще така закономірність: що вища температура відпалу, тим більший електроопір, що пояснюється меншим ступенем дальнього порядку при більш високій температурі [17]. Якщо досліди по вивченню температурної складової електроопору проводити так, щоб сплав при кожній температурі знаходився в рівновазі, то з’явиться додаткова зміна електроопору, що пов’язана зі зміною ближнього та дальнього порядку. При температурі переходу порядок-безладдя на кривій залежності ρ(Т) повинен спостерігатися злам, якщо фазовий перехід є переходом 2-го роду. У випадку фазового переходу 1-го роду стрибкоподібно змінюється не тільки температурний коефіцієнт, але й сам опір.

1.3 Вплив опромінення швидкими частинками на впорядкування сплавів

Нові можливості дослідження кінетики процесів впорядкування з’являються при вивченні впливу потоків швидких частинок на сплави, що упорядковуються. Дія опромінення швидкими частинками різного сорту на сплави є різною. Опромінення може здійснюватись зарядженими важкими частинками (протонами, α-частинками, уламками ділення і т. д.), нейтронами, електронами, γ-квантами.

Електрони, що отримали енергію від налітаючої частинки, в результаті взаємодії з кристалічною граткою в свою чергу передають їй енергію, що призводить до нагріву кристалу. При опроміненні металів електронами останні віддають значну частину своєї енергії саме електронам решітки, а не важким частинкам, на відміну від інших типів опромінення. В результаті в кристалі виникає відносно менша кількість дефектів.

В області кристала, що знаходиться поблизу траєкторії пролітаючої частинки, утворюється велика кількість дефектів, і окрім цього в результаті виділення енергії в цій області спостерігається значне локальне збільшення температури, що може навіть призвести до плавлення металу в цій області. Наступне швидке охолодження цих областей, як наслідок теплообміну з іншими частинами кристалу, може привести до ефектів, аналогічних гартуванню металу у вказаних областях від досягнутих при пролітанні частинки високих температур. У випадку опромінення упорядкованого сплаву в області локального нагріву може виникнути невпорядкована фаза, що фіксується таким нагріванням.

Виникнення великої кількості надлишкових (нерівноважних) дефектів кристалічної решітки може призвести до значного збільшення швидкості протікання різних типів процесів, пов’язаних з переміщенням атомів в твердому тілі. З часом міжвузлові атоми заповнюють вакансійні місця, що веде до додаткового виділення тепла. Зменшення числа дефектів призводить до уповільнення вищезгаданих процесів.

Вплив опромінення на сплави, що упорядковуються, обумовлений двома причинами. По-перше, локальний нагрів може привести до зміни стану упорядкування, і по-друге, дефекти, що виникли при таких температурах, коли вони мають достатню рухомість, будуть прискорювати процес наближення до рівноважного (при даній температурі) стану сплаву.

Електрони з енергією 0,5 еВ створюють зміщення у вигляді окремих пар Френеля, розділених кількома атомними відстанями[17]. Рухливість вакансій спостерігається при Т>~0,25T_M (Т_М - температура плавлення). При температурах менше 0,6Т_М вакансії та міжвузлові атоми утворюються набагато швидше, ніж вони можуть відходити на дислокації, границі зерен та інші стоки. Тому утворюється їх надлишок по відношенню до рівноважної кількості.

Опромінення електронами значно прискорює утворення збагачених Zn зон Гін’є-Престона та рівноважної β-фази в сплавах AgZn [17].

Результати розрахунків сегрегації Zn на поверхні пор в опроміненому сплаві AgZn показали, що ступінь сегрегації залежить віл температури, радіусу пори та швидкості атомного зміщення [17].