ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИФФУЗИИ И ФАЗООБРАЗОВАНИЯ В СЛОИСТЫХ БИНАРНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Русаков В.С., Сухоруков И.А.
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет, http://www.phys.msu.ru
119991 Москва, Российская Федерация
Кадыржанов К.К., Жанкадамова А.М.
Национальный ядерный центр, Республика Казахстан, http://www.nnc.kz
071100 Курчатов, Республика Казахстан

Поступила в редакцию 11.11.2011

В статье представлен обзор работ, в которых разработаны и применены методы моделирования термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в бинарных слоистых системах. В этих работах предложены физические модели термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых бинарных системах металл-металл с двумя и тремя изотопами двух элементов и металл-металлоид. Осуществлена программная реализация предложенных моделей (программа DIFFUSION), позволяющая количественно описывать кинетику термически индуцированных процессов в слоистых бинарных системах с произвольным начальным концентрационным профилем компонентов, с учетом особенностей фазовых диаграмм равновесных состояний при произвольных температурно-временных режимах термических отжигов. При моделировании термически индуцированных процессов в модельных двухслойных бинарных системах металл-металл установлены характер и степень влияния особенностей фазовой диаграммы состояний, коэффициентов диффузии и толщины системы на кинетику процесса термической стабилизации неоднородного по глубине структурно-фазового состояния слоистой системы и термически стабилизированный концентрационный профиль. Проведено моделирование процессов термической диффузии и фазообразования в экспериментально исследованных слоистых бинарных системах металл-металл с двумя (Fe–Ti, Fe–Zr, Fe–Sn, Cu–Be) и тремя (57Fe–Ti–Fe(Ti)–57Fe) изотопами, полученных с помощью метода магнетронного распыления, а также металл-металлоид (57Fe:O+), полученной методом имплантации. Показано, что результаты моделирования хорошо описывают экспериментально полученные с помощью методов MS- и CEMS-спектроскопии и рентгеновской дифрактометрии последовательности фазовых превращений и относительное содержание образующихся фаз на всех этапах различных температурно-временных режимов отжига. При этом впервые на каждом этапе рассчитаны локальные концентрации компонентов, относительные содержания образующихся фаз, коэффициенты диффузии и диффузионные потоки компонентов на любой глубине слоистой системы, а также положение границ однофазных областей. Сделан вывод о том, что характер фазовых превращений в экспериментально и теоретически исследованных слоистых системах определяется изменением локальной концентрации компонентов в процессе их диффузии и соответствует особенностям фазовых диаграмм равновесных состояний.

Ключевые слова: диффузия, фазообразование, слоистая бинарная металлическая система, моделирование, мессбауэровская спектроскопия, рентгеновская дифрактометрия.

УДК 539.216.2:543.429.3

Библиография – 30 ссылок.

РЭНСИТ, 2011, 3(2):19-37

ЛИТЕРАТУРА

Ивановский ГФ, Петров ВИ. Ионно-плазменная обработка материалов. М., Радио и связь, 1986, 232 с.
Попов ВФ, Горин ЮН. Процессы и установки электроионной технологии. М., Высшая школа, 1988, 255 с.
Комаров ФФ, Буренков АФ, Новиков АП. Ионная имплантация. Минск, Изд. Университетское, 1994, 415 с.
Белый АВ, Кукаренко ВА, Лободаева ОВ, Таран ИИ, Ших СК. Ионно-лучевая обработка металлов, сплавов и керамических материалов. Минск, Наука и техника, 1997, 185 с.
Кадыржанов КК, Комаров ФФ, Погребняк АД, Русаков ВС, Туркебаев ТЭ. Ионно-лучевая и ионно-плазменная модификация материалов. М., Изд. МГУ, 2005, 640 с.
Азаренков НА, Береснев ВМ, Погребняк АД. Структура и свойства защитных покрытий и модифицированных слоев материалов. Харьков, Изд.ХНУ, 2007, 560 с.
Kadyrzhanov KK, Rusakov VS, Turkebaev TE, Kerimov EA, Lopuga AD. Diffusion and phase formation in thin two-layer Fe-Be films after subsequent isochronous annealing. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B., 2001,174:463-474.
Kadyrzhanov KK, Rusakov VS, Turkebaev TE, Kerimov EA, Plaksin DA. Mцssbauer Study of Thin Iron Film Beryllization. Hyp. Int., 2002, 141-142(1-4):453-457.
Кадыржанов КК, Керимов ЭА, Плаксин ДА, Русаков ВС, Туркебаев ТЭ. Мёссбауэровские исследования фазообразования в слоистых системах железо-бериллий. Поверхность, 2003, 8:74-78.
Русаков ВС, Кадыржанов КК, Суслов ЕЕ, Плаксин ДА, Туркебаев ТЭ. Термически индуцированные фазовые преобразования в слоистой системе Fe-Al. Поверхность, 2004, 12:22-30.
Русаков ВС, Кадыржанов КК, Коршиев БО, Туркебаев ТЭ, Верещак МФ. Мессбауэровские исследования на ядрах 119Sn и 57Fe слоистой системы Sn-Fe-Sn, подвергнутой термическому отжигу. Поверхность, 2005, 1:60-68.
Сергеева ЛС, Верещак МФ, Манакова ИА, Антонюк ВИ, Русаков ВС, Кадыржанов КК. Исследование кинетики формирования фаз на поверхности Fe-Ti сплава с титановым покрытием. Вестник НЯЦ РК, 2006, 4:28-36.
Аргынов АБ, Жанкадамова АМ, Иманбеков ЖЖ, Русаков ВС, Кадыржанов КК. Влияние изохронного отжига на фазовые превращения в медных фольгах с бериллиевым покрытием. Вестник НЯЦ РК, 2007, 3:5-11.
Русаков ВС, Кадыржанов КК, Туркебаев ТЭ. Мессбауэровские исследования термической стабильности слоистых металлических систем. Физика металлов и металловедение, 2007, 104(4):387-395.
Аргынов АБ, Жубаев АК, Русаков ВС, Кадыржанов КК. Мессбауэровские исследования термически индуцированных фазовых превращений в слоистой системе Fe-Zr. ФММ, 2008, 105(2):182-190.
Манакова ИА, Верещак МФ, Сергеева ЛС, Шоканов АК, Антонюк ВИ, Русаков ВС, Кадыржанов КК. Закономерности термически индуцированного формирования фаз в α-Fe с титановым покрытием. ФММ, 2010, 109(5):483-496.
Русаков ВС, Кадыржанов КК, Туpкебаев ТЭ, Айманов МШ, Жуков ВН. Мессбауэpовские исследования поверхности железа, имплантированного ионами кислоpода. Поверхность. Физика, химия, механика, 1995, 7-8:28-35.
Kadyrzhanov KK, Rusakov VS, Turkebaev TE. Phase Transformation Studies in Implantation Induced Iron–Metalloid Systems Studied by Mossbauer Spectroscopy. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B., 2000, 170(1-2):85-97.
Русаков ВС, Сухоруков ИА, Жанкадамова АМ, Кадыржанов КK. Моделирование процессов диффузии и фазообразования в слоистых бинарных металлических системах. Сравнение с мессбауэровскими и рентгеновскими данными. ФММ, 2010, 109(5):584-593.
Русаков ВС, Сухоруков ИА, Жанкадамова AМ, Кадыржанов КК. Моделирование термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых системах Fe-Sn и Fe-Zr. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2011, 6:103-112.
Русаков ВС, Сухоруков ИА, Жанкадамова AМ, Кадыржанов КК. Моделирование процессов диффузии и фазообразования при изотермических отжигах слоистых систем Fe–Zr. Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия, 2011, 2:49-56.
Русаков ВС, Сухоруков ИА, Жанкадамова AМ, Кадыржанов КК. Физическая модель термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых системах с тремя изотопами двух элементов. Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия, 2011, 6:67-74.
Сергеева ЛС, Манакова ИА, Верещак МФ, Cухоруков ИА, Жанкадамова АМ, Яскевич ВИ, Русаков ВС, Кадыржанов КК. Термически индуцированные процессы диффузии и фазообразования в слоистой системе Fe0.966Ti0.034-Ti при изохронном отжиге. Известия НАН РК. Серия Физико-математическая, 2010, 5:66-75.
Манакова ИА, Верещак МФ, Сергеева ЛС, Cухоруков ИА, Жанкадамова АМ, Русаков ВС, Кадыржанов КК. Термически индуцированные процессы диффузии и фазообразования в слоистой системе Fe-Ti при изохронном отжиге. Вестник НЯЦ РК, 2011, 2:103-108.
Манакова ИА, Верещак МФ, Сергеева ЛС, Яскевич ВИ, Антонюк ВИ, Тулеушев ЮЖ, Жанкадамова АМ, Сухоруков ИА, Русаков ВС, Кадыржанов КК. Диффузия и фазообразование в слоистой системе Fe(10 мкм)-Ti(2 мкм) при изотермическом отжиге. Вестник НЯЦ РК, 2011, 4:110-116.
Русаков ВС, Сухоруков ИА, Жанкадамова AМ, Кадыржанов КК. Моделирование термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых системах металл-металлоид. Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия, 2012, 3 (в печати).
Русаков ВС, Кадыржанов КК, Туркебаев ТЭ. Механизм термической стабилизации слоистых металлических систем. Известия РАН, 2005, 69(10):1482-1487.
Kadyrzhanov KK, Rusakov VS, Turkebaev TE. Thermal stabilization of phase and structural state in binary lamellar metallic systems. J. Phys.: Condens. Matter., 2006, 18:4113-4126.
Русаков ВС, Сухоруков ИА. Свидетельство о государственной регистрации программы DIFFUSION №2012610880 от 20.01.12 (в печати).
Ziegler J, Ziegler M, Biersack J. SRIM – the stopping and range of ions in matter. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B., 2010, 268:1818-1823.

Полнотекстовая электронная версия статьи – на вебсайте http://elibrary.ru