Механізми формування та процеси еволюції структури, напруженого стану і властивостей квазі- та нанокристалічних плівок металів під впливом зовнішних чинників

Такий результат дозволяє стверджувати, що модуль Юнга, який розраховується з нахилу початкової ділянки розвантаження, є величиною ізотропною для ікосаедричних квазікристалів. Встановлено, що ступінь пружного відновлення Н/Е квазікристалічної фази є більш високим, ніж для кристала, та залежить від досконалості ікосаедричної структури. Обробка експериментальних графіків навантаження-переміщення на другому ступені пружно-пластичного деформування дозволила встановити, що енергія активації пластичної деформації Ti-Zr-Ni квазікристала при кімнатній температурі становить ?0,70±0,5 eВ/ат. Ця величина є близькою до енергії термічної активації пластичної деформації для квазікристалів на основі алюмінію. Досконалість і склад визначають також механізм деформації квазікристалів. Визначено, що пластична деформація квазікристала на стадії контактного деформування із зростанням навантаження протікає східчасто. Чергуються області повільної пружньо-пластичної та дуже швидкої пластичної деформацій. Ґрунтуючись на літературних даних із високотемпературної деформації, запропонована якісна модель пластичної деформації квазікристалів при кімнатній температурі. Початковий етап деформації пов'язаний з дифузійним переповзанням дислокацій і накопиченням фазонних дефектів. Збільшення густини фазонних дефектів сприяє "деформаційному знеміцненню". Кожний наступний етап пластичної деформації проходить при все меншому значенню контактного тиску та більш швидко. Сплеск швидкості деформації обумовлений "ковзанням" розщеплених дислокацій по полю "фазонів" з формуванням одиничної смуги ковзання.

Не зважаючи на значний прогрес в дослідженні квазікристалів, їх теплофізичні властивості залишаються однією з маловивчених сторін. У першу чергу це стосується до характеристик, що визначаються динамікою решітки. Для однофазних зразків Ti41,5Zr41,5Ni17 зроблено аналіз положення та інтенсивності декількох дифракційних максимумів від площин, розвернутих одне до одного, при зміні робочої температури у вакуумній камері від 80 К до 300 К. Слід зазначити, що з пониженням температури було подавлено накопичення фазонів, які могли би внести похибку в експеримент. У результаті отримані дані про коефіцієнт термічного розширення, середньоквадратичні відхилення атомів і характеристичну температуру квазікристала. Еталоном в експериментах служила надчиста (99,95) мідь. Визначено, що вказані теплофізичні характеристики квазікристала є величинами ізотропними. У вказаному температурному інтервалі середній лінійний коефіцієнт термічного розширення a складає (8±0,5)?10-6 К-1, а величина середньоквадратичних відхилень атомів складає при кімнатній температурі 4,2?10-4 нм2. Рентгенівська характеристична температура Дебая оцінена рівною ?Д=340±20 К. Це значення практично співпадає з ?Д, яке використовували як параметр підгонки при моделюванні температурній залежності електроопору. Про достовірність отриманих даних свідчить той факт, що визначене для міді значення ?Д =310±20 К добре узгоджується з літературними даними (?Д =315±10 К).

Сьомий розділ "Еволюція структурного и напруженого стану тонких плівок та поверхневих шарів кристалів і квазікристалів унаслідок зовнішнього впливу". З результатів досліджень, викладених у попередніх розділах, виходить, що квазірівноважні структури, що сформовані в умовах відхилення від рівноваги, характеризуються існуванням гетерофазності, залишкових макро- і мікронапружень, підвищеною дефектністю. В умовах зовнішньої дії система прагнутиме перейти до нового квазірівноважного стану. Характеристиці особливостей даного процесу в квазі- і нанооб'єктах присвячений даний розділ.

Спочатку розглядаються наслідки теплового впливу на структурний стан однофазних Ti41,5Zr41,5Ni17 стрічок. Для цього проводився ізохронний відпал у безмасляному вакуумі при 10-10 Па з Т?673 К. У результаті виявлено тристадійний характер стимульованих температурою змін. На першій стадії відбувається відпал ростових дефектів структури. На другій - часткове i'?i +W фазове перетворення. Воно полягає у розпаді при температурі Т?723 K неупорядкованої первинної пересиченої квазікристалічної фази iґ на дві рівноважні фази: кристал-апроксимант та ікосаедричну фазу. Запропонований механізм перетворення полягає в ковзному переміщенню дислокацій в полі залишкових напружень, відпалі останніх максимально на 80%, дифузійному зібранню початкових "заморожених" фазонних дефектів біля дислокацій та накопиченню скоррельованих фазонних стінок, що є механізмом формування зародка W-фази. Третя стадія характеризується удосконаленням атомної структури квазікристала.

Інтерес до проблеми водню в Ti-Zr-Ni квазікристалах обумовлений їх здатністю завантажувати водень до співвідношення Н/Ме=1,9 у вигляді твердого розчину, що значно перевищує здібності кристалічних LaNi5, ZrV2, ZrNi і ін. Рентгенографічно насичення воднем проявляється в зсуві дифракційних максимумів, зміні їх інтенсивності та ширини на половині висоти. По величині зсуву максимальний вміст водню в i-фазі оцінений для наших зразків як Н/M ?0,4. Виявлено, що в масивних зразках водень вже при малих концентраціях стимулює фазове перетворення фази Лавеса в ікосаедричну фазу . Це проявляється через збільшення інтенсивності ліній i-фази по відношенню до ліній фази Лавеса. Є припущення, що визначальну роль тут відіграє електронний чинник - водень розташовується в тетраедричних міжвузлях та віддає частково електрон. Електронна концентрація підвищується від 1,9 ел/ат (характерне для С14) до 2,1 ел/ат, тим самим посилює стабільність і-фази. Введення водню в стрічкові зразки в малих (<0,1 H/M) кількостях приводить до вдосконалення структури і субструктури ікосаедричної фази: збільшується розмір ОКР і знижуються мікродеформації. При H/M >0,15 знижується концентрація однорідних фазонних деформацій, але починає збільшуватися густина дислокацій і в стінках і хаотично розподілених. Встановлено, що входження водню до структури квазікристала призводить до зміни механічних властивостей: знижуються модуль Юнга на ?15%, а мікротвердість на 30%, а H/E збільшується на 30 % незалежно від вихідного фазового складу. Приблизно на стільки ж послаблюється температурна залежність електроопору на металоподібній ділянці. Всі ці данні свідчать про вдосконалення ікосаедричної структури при розчиненні в структурі квазікристалла малої кількості водню.

Оскільки структура квазікристалів не має трансляційної інваріантності, то квазікристали розглядають як перспективні радіаційностійкі матеріали. Експерименти в цьому напрямку на цей час є одиничними. У даній роботі використано опромінювання квазікристалічних стрічок Ti41,5Zr41,5Ni17 квантами ВУФ (t до 17 годин), рентгенівським гальмівним випромінюванням (h?max=1 МеВ, D до 4000 рад.), а також потоками електронів і протонів з енергією (100 кеВ і D до 1,3?1017 см-2), що моделювало тривале перебування в умовах відкритого космічного простору. Разом з квазікристалічними опромінювалися також швидкозагартовані стрічки Zr-V, Zr-Al, тонкі плівки металів Ti, Al, Ni. Згідно експериментальним даним в об'ємі всіх зразків далеко за межами проективних пробігів або скін-шару відбуваються структурні перетворення, які полягають в зміні рівня початкових макронапружень, зміні параметрів структури і субструктури кристалічних і квазікристалічних фаз. Так, ВУФ-опромінення квазікристала стимулює зниження на 60...90 % залишкових макронапружень, збільшення параметра квазікристалічності з урахуванням напружень на (9...12)Ч10-5 нм, зростання розміру ОКР і величини мікродеформацій на 20%. При електрон-протонному опроміненні параметр квазікристалічності і рівень мікродеформації, як правило, зменшуються. Також зменшується параметр решітки фази Лавеса в стрічках сплаву Zr-V при рентгенівському опроміненні. Визначено, що масштаб стимульованих змін визначається досконалістю вихідної структури і її однорідністю. Так, зміни субструктурних характеристик тим вище, чим вище дефектність у вихідному стані. Стимульовані структурні зміни пояснюються в рамках теорії радіаційної повзучості. Зміна параметрів структурного стану пов'язана із зниженням густини початкових точкових дефектів гартівної природи, і в окремих випадках з накопиченням в об'ємі зразків дислокаційних петель. Зменшення величини мікродеформацій і зростання розміру областей когерентного розсіяння обумовлено переміщенням дислокацій в полі початкових макронапружень і відпалом їх в результаті ефективної сорбції точкових дефектів. Немонотонність процесів свідчить про послідовність стадій відпалу первинних дефектів і накопичення вторинних радіаційних дефектів при великих дозах опромінювання.

Методом рентгенівської рефлектометрїї за зміною осциляцій на експериментальних кривих кутової залежності рентгенівського коефіцієнта віддзеркалення R(?) досліджено кінетику твердофазних реакцій, які відбуваються на поверхні нанорозмірної системи з шарів NiО/ Ni/Si- підкладка (з ефективною товщиною нікеля 15 та 45 нм) під впливом при ВУФ-опромінення з енергією 8?hн? 11,8 еВ. Встановлено, що шари нікелю та його оксиду не змінюються а ні за товщиною, а ні за густиною. ВУФ опромінення стимулює дифузію кремнію з підкладки та з'єднання кремнію з азотом на поверхні нікелевої плівки, формується шар силіциду кремнію густиною 3,2…3,4 гЧсм-3 та товщиною »1,5 нм. Цей процес має найбільший тепловий ефект реакції та випереджає всі ймовірні інші. Реакція формування силіциду кремнію, у якій нікель бере участь у якості каталізатора, кінетично має нульовий порядок, характерний для радіаційно- та фотохімічних процесів, тому що приріст маси зовнішнього шару є пропорційним поглиненій дозі. Кінетика такої реакції не залежить від доставки реагентів в зону реакції. Зміна довжини хвиль ВУФ дещо змінює фазовий напрямок та вихід реакції стимульованого процесу.

Наростання шару переривається при досягненні товщини 1,5 нм, коли зовнішній шар стає суцільним. При витримці на повітрі має місце зменшення густини поверхневого шару до 2,3 гЧсм-3 та збільшення товщини до »2,5 нм, що є наслідком більш термодинамічне вигідної в нормальних умовах реакції окислення. Повторні цикли опромінення та окислення ведуть до деградації системи плівка-підкладка із-за порушення адгезії плівки на підкладці.

Для тонких плівок Ni, Al, Ti досліджений комплекс радіаційних ефектів при опромінюванні сепарованими потоками іонів Не+ і N+ з енергіями 1- 40 кеВ і дозою до 5Ч1020 м-2. Вивчені основні закономірності накопичення власних і домішкових радіаційних дефектів в шарах проективних пробігів іонів і за межами цих шарів. В шарах проективних пробігів іонів в епітаксійних плівках ГЦК металів при Т= 300 К утворюються гелій-вакансійні комплекси HemVn, структура яких визначається рівнем і знаком макронапружень, досконалістю плівок, типом решітки і концентрацією гелію, що імплантується. За межами шару проективних пробігів спостерігаються зміни досконалості структури і рівня напружень, що обумовлені далекопробіжною дифузією розділених потоків СМА і вакансій, - ефектом далекодії. При малих дозах ефект полягає у відпалі за межами шару поглинання іонів або випромінювання первинних дефектів, а при великих - в накопиченні дефектів. Ефект далекодії має місце при опромінюванні і кристалів, і квазікристалів. Найбільшою мірою він виявляється за наявності недосконалості структури і залишкових напружень.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено наукову проблему щодо встановлення загальних закономірностей формування фазового складу, структури, напруженого стану тонких наноструктурованих плівок металів Ti, Hf, W, Ni, Al, сплавів Ti-Al, сполук W3O, WC, TiN, Cr2N, TaSi2 та швидко загартованих для синтезу квазікристалічних та споріднених фаз Zr-Al, Zr-V, Ti-Zr-Ni, Ti-Hf-Ni стрічок, а також механізмів еволюції структурного та напруженого стану зразків під впливом температури, насичення воднем, киснем, азотом опромінення квантами рентгенівського та вакуумного ультрафіолетового діапазонів, а також іонів Не+ і N+ низької та середньої енергії. Результати проведених комплексних і систематичних досліджень зводяться до таких основних висновків:

1. Проаналізовано розподіл залишкових напружень, рівень мікродеформацій, розмір областей когерентного розсіювання, тип та густину структурних дефектів, текстуру та фазовий склад кристалічних наноструктурних і квазікристалічних плівок, які одержують в екстремальних умовах сильного відхилення від рівноваги. Встановлено, що формування вказаних складових структурного і напруженого стану, а також їх зміна під дією зовнішніх чинників відбувається взаємопов'язано.

2. Показано, що структурний стан тонкоплівкових і стрічкових зразків безперервно змінюється в ході конденсації або кристалізації при сильному відхиленні від умов термодинамічної рівноваги, яке обумовлено переохолодженням, пересиченням за компонентах і структурними дефектами, критичним зовнішнім навантаженням або виникаючими внутрішніми напруженнями. Внаслідок цього формуються об'єкти, які характеризуються зміною по глибині фазового складу, параметрів структури, субструктури, залишкових напружень та орієнтації зерен.

3. Розроблена та використана для дослідження структури та напружень у монокристалічних та високо текстурованих зразках методика рентгенівської тензометрії кристалів гексагональної сингонії. Вона дає можливість в моделі плоско-напруженого стану незалежно обчислювати значення двох складових головних напружень у1 та у2, а також значення параметрів кристалічної решітки а0 і с0 за винятком напружень. Це дозволяє достовірно аналізувати легування, концентрацію точкових та площинних дефектів. Методика може бути поширена і на менш симетричні гратки.

4. Встановлено що при іонно-плазмових методах осадження кристалічних плівок нерівноважність обумовлена високою швидкістю термалізації адатомів та "забиттям" атомів в решітку конденсату, що є причиною переходу від макронапружень розтягу до напружень стиску, при чому суттєвий внесок в напружений стан вносять "структурні" напруження, які виникають через формування закономірно орієнтованих по відношенню до площини плівок дислокаційних петель проникнення безпосередньо під час конденсації. Зі збільшенням товщини конденсату залишкові та внутрішні напруження накопичуються. При переході через деяку межу, що залежить від температури плавлення та пружних констант, напруження релаксують із формуванням (або зміною типу) текстури, зміною густини та розподілу дислокацій та дислокаційних петель.

5. Для стрічок систем Ti-Zr-Ni, Ti-Hf-Ni, Zr-V і Zr-Al, отриманих швидкісним загартуванням, досліджена залежність фазового складу і структури від елементного складу і режимів синтезу. Винайдені оптимальні параметри синтезу однофазних ікосаедричних квазікристалів в Ti-Zr-Ni системі. Визначені межі температурної стабільності квазікристалічної фази. Досліджено залежність від режимів синтезу досконалості ікосаедричної структури - її параметру квазікристалічності, розміру областей когерентного розсіяння рентгенівських променів, величини середніх мікродеформацій, густини фазонних дефектів, залишкових напружень та окремих фізичних властивостей.

6. Вперше для вивчення особливостей напруженого стану квазікристалічних зразків рентгенівськими методами впроваджено методику багаторазових зйомок з нахилом, а для отримання характеристик субструктури: середнього розміру областей когерентного розсіяння і середніх мікродеформацій - спосіб апроксимації. Встановлено, що діючі в стрічках залишкові макронапруження врівноважуються в поперечному перетині зразків. Напруження стиснення діють із сторони, що контактувала з поверхнею охолоджуючого диску, а напруження розтягу (уmax? 140±10 МПа) - на протилежній поверхні стрічок.

7. При дослідженні загартованих на одному гартівному диску стрічок встановлено, що по перетину відбувається поступова зміна фазового складу, розміру зерен та областей когерентного розсіяння, густини дислокацій та фазонних дефектів, макро- та мікронапружень, мікротвердості, нанотвердості та модулю Юнга, що можна вважати проявою процесу самоорганізації структури при синтезі.

8. Вперше методом наноіндентування визначені значення модуля Юнга і нанотвердості для квазікристалічних стрічок, які виготовлені способом швидкісного загартування. Встановлено, що ці властивості є величинами ізотропними і зростають із підвищенням досконалості структури ікосаєдричної фази і досягають значення 113±1 ГПа і 7,1±0,2 ГПа відповідно. Запропонований механізм деформації ікосаедричних квазікристалів системи Ti-Zr-Ni при кімнатній температурі, який істотно відрізняється від деформації кристалів. Винайдено, що енергія активації пластичної деформації Ti-Zr-Ni квазікристалу дорівнює приблизно 0,70±0,5 еВ/ат.

9. Методом дифракції рентгенівських променів за зміною інтенсивності та положення відбиттів від різних кристалографічних площин при температурах від 80 до 300 К досліджені теплофізичні властивості Ti41,5Zr41,5Ni17 квазікристалів та встановлено, що їх температура Дебая та коефіцієнт лінійного розширення становлять відповідно QД =315±10 К та ?=(8,0±0,5)?10-6 К-1 і є величинами ізотропними.

10. Показано, що при низько- та середньо енергетичному опроміненні частками або квантами і в тонких кристалічних плівках і в квазікристалічних стрічках далеко за межами поглинання відбувається суттєва зміна параметрів структури, густини структурних дефектів та напруженого стану. При збільшенні дози ефект полягає в початковому підвищенні досконалості вихідної структури, а потім в накопиченні вторинних радіаційних дефектів.

11. Показано, що механізми необоротних процесів формування і еволюції структурного і напруженого стану тонких плівок при значному відхиленні від рівноваги підкоряються узагальненому рівнянню Гиббса-Дюгема, окремі складові якого змінюються взаємозалежно при прагненні системи до рівноваги.

СПИСОК ПРАЦЬ ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Методы исследования атомной структуры и субструктуры материалов: [Учебн. пособие] / В.М.Иевлев, А.Т.Косилов, Ю.К.Ковнеристый, А.И.Лебедев, Э.П.Домашевская, А.В.Евтеев, С.В.Малыхин, С.С.Борисова, Е.К.Белоногов; под ред. В.М.Иевлева.- [1-е изд.].- Воронеж: Воронеж.гос.тех.ун-т, 2001.- 446 с.

2. Методы исследования атомной структуры и субструктуры материалов: [Учебн. пособие] / В.М.Иевлев, А.Т.Косилов, Ю.К.Ковнеристый, А.И.Лебедев, Э.П.Домашевская, А.В.Евтеев, С.В.Малыхин, С.С.Борисова, Е.К.Белоногов; под ред. В.М.Иевлева.- [2-е изд.].- Воронеж: Воронеж.гос.тех.ун-т, 2003.- 484 с.

3. Гладких Л.И., Малыхин С.В., Пугачёв А.Т. Дифракционные методы анализа остаточных напряжений. Теория и эксперимент: Учебн. пособ.-Х.: НТУ "ХПИ", 2006.-304 с.

4. Особенности структуры монокристаллических пленок ?-Ti , конденсированных в сверхвысоком вакууме / Е.Н.Зубарев, А.А.Козьма, С.В. Малыхин, С.Т. Рощенко // Поверхность. Физика, химия, механика.- 1991.- № 5.- С.124-132.

5. Эффект дальнодействия при облучении поверхности / А.А.Козьма, С.В.Малыхин, О.В.Соболь, А.В.Аринкин, Л.С.Палатник, В.И. Пинегин, П.Г. Черемской //Физика металлов и металловедение.- 1991.- № 7.- С.168-175.

6. Генерация и эволюция радиационных дефектов в тонких пленках титана при подпороговом облучении / А.А.Козьма, С.В.Малыхин, Л.П.Тищенко, Т. И.Перегон, С.Т.Рощенко // Физика и химия обработки материалов. - 1991.- №4.-С.13-20.

7. Особенности накопления дефектов за пределами проективных пробегов ионов в зависимости от энергии, дозы и температуры облучения / О.В.Соболь, А.А.Козьма, С.В.Малыхин, Н.В. Плешивцев, Л.П.Тищенко, Т.И. Перегон // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение.- 1992.- Вып. 1 (58), 2 (59).- С. 12-17.

8. Особенности накопления дефектов за пределами проективных пробегов ионов / О.В.Соболь, А.А.Козьма, С.В.Малыхин, Н.В.Плешивцев, Л.П. Тищенко, Т.И. Перегон // Известия Российской Академии наук. Сер. Физическая.- 1992.- Т. 56, № 6.- С.182-187.

9. Козьма A.A., Решетняк E.Н., Малыхин С.В. Роль радиационного фактора в формировании напряженного состояния ионно-плазменных конденсатов // Вестник Харьковского государственного политехнического университета: Новые решения в современных технологиях. -1998.- Вып. 17. - С. 83-86.

10. Особенности формирования вольфрамовых пленок, полученных методом ионно-плазменного распыления / А.А.Козьма, С.В.Малыхин, О.В.Соболь, С.С.Борисова, А.А.Подтележников // Физика и химия обработки материалов.-1998.- №3, С.49-55.

11. The effect of ion-plasma sputtering regimes on structure formation in tungsten-carbon based coatings / A.A.Kos'ma, O.V.Sobol', E.A.Sobol', S.V. Malykhin, A.A. Podtelezhnikov // Functional Materials.- 1999.- Vol.6, №2. - P. 267-272.

12. Kos'ma A.A., Malykhin S.V. Radiation stimulated effect in films and surface layers// Functional Materials .- 1999.- Vol.6, №2. -P. 262-266.

13. Pugachov A.T., Reshetnyak Е.N., Malykhin S.V. Lattice parameter determination in stressed hexagonal structure films using X-ray tensometry // Functional Materials.- 1999.-Vol.6, №5.-Р. 863-867.

14. Козьма А.А., C.В.Малыхин, Соболь О. В. Структура и напряженное состояние покрытий, полученных распылением вольфрама в тлеющем разряде // Физика металлов и металловедение.- 1999.-Т.87, №3.-С. 30-33.

15. Azhazha V., Grib A., Khadzhay G., Malykhin S., Merisov B., Pugachov A. Superconductivity of Ti-Zr-Ni Alloys Containing Quasi-Crystals // Physsics Letters A.- 2002.-V. 303.- P.87-90.

16. Diffuson of hydrogen in Ti-Zr-Ni quasicrystals / V.Azhazha, A.Grib, G.Khadzhay, S.Malykhin, B.Merisov, A. Pugachov // J. Phys.: Condens. Matter.- 2003.- Vol. 15.-P. 5001-5008.

17. The electrical resistivity of Ti-Zr-Ni quasicrystals in the interval 1.3-300 K / V.Azhazha, A.Grib, G.Khadzhay, S.Malykhin, B.Merisov, A. Pugachov // Physics Letters A.- 2003.-№349.- P.539-543.

18. Structure and peculiarities of nanodeformation in Ti -Zr -Ni quasi-crystals / V.Azhazha, S.Dub, G.Khadzhay, S.Malykhin, B.Merisov, A. Pugachov // Phil. Mag.- 2004.- Vol.84, № 10.- P.983-990.

19. Остаточные напряжения и структура покрытий нитридов титана и хрома, полученных методом ионно-плазменного напыления / Л.И. Гладких, С.В.Малыхин, А.Т.Пугачев, Е.Н.Решетняк, Д.Б.Глушкова, С.С.Дьяченко, Г.П. Ковтун // Металлофизика и новейшие технологии. - 2003. - Т.25, №6. - С. 763

20. Residual stresses and structure in titanium films obtained by vacuum-arc depositions / Е.N.Reshetnyak, A.T.Pygachov, S.V.Malykhin, V.D. Ovcharenko // Functional materials. - 2003. - V.10, №3. - P. 402-406.

21. Рентгенографический анализ периодических композиций W/Si / Е.Н. Решетняк, С.В. Малыхин, Ю.П.Першин, А.Т. Пугачев // Вопросы атомной науки и техники, Сер.: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2003. - №3. - С. 161-166.

22. Изменение структуры, субструктуры и физических свойств Ti-Zr (Hf)-Ni квазикристаллов при насыщении водородом / В.М.Ажажа, А.Т.Пугачёв, С.С.Борисова, А.Н.Гриб, С.В.Малыхин, Б.А.Мерисов, Г.Я.Хаджай, С.Н.Дуб // Вестник Воронежского государственного технического университета.. Сер. Материаловедение.- 2004.- Вып.1.15.-С.7-11.

22. Генезис пористости в конденсированных системах / П.Г.Черемской, А.Т.Пугачев, О.В.Соболь, С.В. Малыхин, А.Л. Топтыгин, А.С. Паникарский // Вестник Воронежского государственного технического университета. Сер. Материаловедение.- 2004.- Вып.1.15.- С.12-17.

23. Condensation-dependent porosity in film nanostructures / P.G.Cheremskoy, A. T.Pugachov, O.V.Sobol, S.V.Malykhin, A.L.Toptygin, A.S.Panikarsky // Functional materials.- 2005.-Vol.12, №.3.-P.539-547.

24. Mechanical behavior of Ti-Zr-Ni quasicrystals during nanoindentation / V.Azhazha, S.Borisova, S.Dub, S.Malykhin, A.Pugachov, B.Merisov, G.Khadzhay // Physics of the Solid State.-2005.- Vol. 47, № 12.- Р. 2262-2267.

Механическое поведение Ti-Zr-Ni-квазикристаллов при наноиндентировании / В.М.Ажажа, С.С.Борисова, С.Н.Дуб, С.В.Малыхин, А.Т.Пугачёв, Б.А. Мерисов, Г.Я. Хаджай // Физика твердого тела.- 2005.- Т.47, №12.- с.2170-

25. The electrical resistivity of Ti41.5Zr41.5Ni17 quasicrystals in the temperature region 0.3-300 K / V.M.Azhazha, G.Ya.Khadzhay, S.V.Malykhin, B.A.Merisov, H.R. Ott, A.T.Pugachov, A.V. Sologubenko // Fizika Nizkikh Temperatur.- 2005.- Vol. 31, № 6.- Р. 629-633.

26. Mikhailov I.F., Borisova S.S., Fomina L.P., Malykhin S.V., Babenko I.N. Structure changes in nickel on silicon nano-layers under vacuum ultraviolet irradiation // Functional Materials.-2006.-Vol.13, №1.-P.85-89.

27. VUV Stimulated Solid-Phase Reactions on the Surface of Ni Nano-Layers on Si Substrate / I.F.Mikhailov, S.V.Malykhin, S.S.Borisova, L.P.Fomina // Functional Materials.-2006.-Vol.13, №.3. -P. 381-386.

28. Malykhin S.V., Pugachov A.T., Chernokhvostenko E.E. Thermal Expansion and Debye Temperature of Ti-Zr-Ni Quasicrystal // Functional Materials.-2006.-Vol.13, №4.-P.596-599.

29. Синтез, структура, субструктура, остаточные напряжения и отдельные физические свойства Ti-Zr-Ni квазикристаллов / В.М.Ажажа, С.М.Дуб, О.М. Гриб, Б.А. Мерисов, Г.Я.Хаджай, С.В.Малыхин, А.Т.Пугачёв, Л.И. Гладких // Вістник Харківського національного університету. Сер. Фізика.- 2006.-№ 9, № 739.- С.103 -107.

30. Effect of microstructure on plastic deformation of Cu at low homologous temperatures / Y.Estrin, N.Isaev, S.Lubenets, S.Malykhin, A.Pugachov, V.Pustovalov, E.Reshetnyak, V.Fomenko, L.Fomenko, S.Shumilin, M.Janecek, R.Hellmig // Acta Materrialia.- 2006.-V. 54.- P.5581-5590.

31. Structure and stress condition of ion-plasma hafnium condensates / A.S.Vus, S.V.Malykhin, A.T.Pugachov, E.N. Reshetnyak, R.V.Azhazha, K.V. Kovtun // Functional Materials.-2007.-Vol.14, №2.-P.204-207.

32. Malykhin S. Residual stresses in Ti41,5Zr41,5Ni17 quasi-crystalline ribbons measured by X-ray diffraction //Functional Materials.-2007.-Vol.14, №2.-P.223

33. Синтез и стабильность Ti-Zr-Ni квазикристаллов / В.М.Ажажа, А.М.Бовда, С.Д.Лавриненко, Л.В.Онищенко, С.В.Малыхин, А.Т.Пугачёв, М.В. Решетняк, А.Н.Стеценко, Б.А.Савицкий // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники.- 2007.- вып. 4(16), С.82-87.

34. Synthesis, structure, substructure, residual stresses and properties of Ti-Zr-Ni and Ti-Hf-Ni icosahedral quasicrystals / V. Azhazha, S. Malykhin, A. Pugachov, S. Dub, A. Grib, G. Khadzhay, B. Merisov // Crystal materials'2005.ICCM'2005. Kharkov, Ukraine, 30 May-2 June 2005.- Kharkov.-2005.- P.26.

35. Структура, субструктура и напряженное состояние Ti-Zr-Ni квазикристаллов / В.М.Ажажа, С.В.Малыхин, А.Т.Пугачёв, Е.Н. Решетняк, М.В. Решетняк // Современное материаловедение: достижения и проблемы : Международная конференция MMS-2005. Киев, 26-30 сент. 2005 г.-К., 2005.-Т.1.- С.414-415.

36. Влияние насыщения водородом на структуру, субструктуру и физические свойства Ti-Zr-Ni квазикристаллов / В.М. Ажажа, С.С.Борисова, О.М. Гриб, С.Н.Дуб, С.В.Малыхин, Б.А.Мерисов, А.Т.Пугачёв, Г.Я. Хаджай // Современное материаловедение: достижения и проблемы : Международная конференция MMS-2005. Киев, 26-30 сент. 2005 г.-К., 2005.-Т.1.- С.416-417.

37. Изучение дефектной структуры квазикристаллов методами рентгеновской дифракции / С.В.Малыхин, А.Т.Пугачев, Л.И.Гладких, Е.Н. Решетняк // Фізичні явища в твердих тілах. Матеріали 7-ої Міжнародної конференції. Харьків, 14-15 грудня 2005 р.- Харків: ХНУ.- 2005.- С. 83.

38. Механические свойства и пластичность Ti41.5Zr41.5Ni17 квазикристаллов по данным наноиндентирования / С.В. Малыхин, А.Т. Пугачев, С.С. Борисова, В.М. Ажажа, С.Н. Дуб // Физика конденсированного состояния вещества при низких температурах. Международная конференция. Харьков, 20-22 июня 2006 г. - Харьков, 2006.-С.239-241.

39. Low temperature plastic deformation of structurally various cooper polycrystals / V. Pustovalov, Y. Estrin, L. Fomenko, N. Isaev, M. Janecec, S.Lubenets, S. Malykhin, A. Pugachov, E. Reshetnyak, V. Fomenko, S. Shumilin, R. Hellmig // The Book of Abstracts for “23rd European crystallographic meeting”.- Leuven, Belgium, 6-11 Aug. 2006.- Vol.1.- P.63.

40. Ажажа В.М., Лавриненко С.Д., Лонин Ю.Ф., Пилипенко Н.Н., Середа Б.В., Малыхин С.В., Пугачёв А.Т. Решетняк Е.Н., Топтыгин А.Л., Кузьменко Н.А. Структурные изменения в быстрозакаленных лентах металлических спловов при радиационном воздействии // XVII Международная конференция по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению. Алушта, Крым, 4-9 сент.2006 г.- Алушта, 2006.- С.76.

41. Влияние облучения на структуру и субструктуру Ti41,5Zr41,5Ni17 квазикристаллов / Н.А.Кузьменко, С.В.Малыхин, Ю.А.Похил, А.Т. Пугачёв, М.В.Решетняк, А.Л.Топтыгин // Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах: III-Всероссийская конференция ФАГРАН-2006. Воронеж, Россия, 8-14 окт. 2006 г.- Воронеж, 2006.- Т.1.-С.562-565.

42. Структура, субструктура и физико-механические свойства Ti-Zr-Ni квазикристаллов / в.М.Ажажа, А.Т.Пугачев, С.В. Малыхин, С.Н. Дуб // Сб. тез. 45 Международной конференции "Актуальные проблемы прочности".- Белгород.-2006.- С.64.

43. Влияние радиационного фактора открытого космического пространства на структурное и напряженное состояние эпитаксиальных пленок титана / В.В. Гайворонская, С.В. Малыхин, Ю.А. Похил, А.Т. Пугачёв, Е.Н. Решетняк, А.Л. Топтыгин // Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах: III-Всероссийская конференция ФАГРАН-2006. Воронеж, Россия, 8-14 окт. 2006 г.- Воронеж, 2006.- Т.1.-С.513-515.

Малихін С.В. Механізми формування та процеси еволюції структури, напруженого стану і властивостей квазі- та нанокристалічних плівок металів під впливом зовнішних чинників. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Харківський національний університет імені В.Н.Каразіна, Харків, 2008.

Дисертація присвячена вирішенню проблеми встановлення загальних закономірностей формування фазового складу, структури, напруженого стану та властивостей нано- та квазікристалічних плівок, що виготовлені в екстремальних умовах значного відхилення від рівноваги, та механізмів їх еволюції під дією зовнішніх чинників.

Розроблено нові та вдосконалено відомі методи дослідження напруженого стану, а також параметрів структури з урахуванням пружної деформації. З використанням комплексу методів встановлено, що тонкі кристалічні плівки і квазікристалічні стрічки мають градієнтний з товщиною розподіл параметрів структури, субструктури, напруженого стану і властивостей.

Для стрічок системи Ti-Zr-Ni, які виготовлені способом швидкісного загартування, визначені режими отримання зразків однофазних або з переважним вмістом ікосаедричної квазікристалічної фази. Визначені межі її стабільності, досліджені теплофізичні та механічні властивості. Запропоновано механізм пластичної деформації квазікристалів при кімнатній температурі; на підставі експериментальних даних зроблено висновок про ізотропність модуля Юнга, коефіцієнта лінійного розширення та температури Дебая.

Досліджені стимульовані хімічні реакції та зміни структурного та напруженого стану і властивостей кристалів і квазікристалів при опромінюванні іонами, квантами ВУФ, рентгенівськими променями та при насиченні воднем.

Ключові слова: рентгенівська дифрактометрія, тонкі плівки, квазікристали, стабільність, структура, структурні дефекти, залишкові напруження, опромінення, модуль Юнга, температура Дебая, насичення воднем.

Малыхин С.В. Механизмы формирования и процессы эволюции структуры, напряженного состояния и свойств квази- та нанокристаллических пленок металлов под влиянием внешних факторов.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела.- Харьковский национальный университет имени В.Н.Каразина, Харьков, 2008.

Диссертация посвящена решению проблемы установления общих закономерностей формирования фазового состава, структуры, напряженного состояния и свойств нано- и квазикристаллических образцов, которые получаются в экстремальных условиях значительного отклонения от равновесия и механизмов их эволюции под действием внешних факторов.

В ней разработана и внедрена в исследование напряженного состоянии кристаллов со сложной решеткой методика рентгеновской тензометрии в модели плосконапряженного состояния. Она позволяет независимо вычислять значения двух составляющих главных напряжений и значения параметров кристаллической решетки за вычетом напряжений в монокристаллических и высокотекстурированных образцах различной симметрии. Для лент систем Ti-Zr-Ni, Ti-Hf-Ni, Zr-V и Zr-Al, полученных скоростной закалкой, исследована зависимость фазового состава и структуры от элементного состава и режимов синтеза. Найдены оптимальные параметры синтеза однофазных икосаэдрических квазикристаллов в Ti-Zr-Ni системе. Определены границы температурной стабильности квазикристаллической фазы. Исследована зависимость совершенства икосаэдрической структуры: ее параметра квазикристалличности, размера областей когерентного рассеяния рентгеновских лучей, величины средних микродеформаций и плотности фазонных дефектов от режимов синтеза. Для изучения напряженного состояния квазикристаллических образцов впервые внедрена методика рентгеновских многократных наклонных съемок, а для получения характеристик субструктуры: среднего размера областей когерентного рассеяния и средних микродеформаций - метод аппроксимации. Установлено, что действующие в лентах остаточные макронапряжения уравновешиваются в поперечном сечении образцов. Напряжения сжатия действуют со стороны, что контактировала с поверхностью охлаждающего диска, а напряжения растяжения (?140 МПа) действуют на противоположной поверхности лент. По изменению интенсивности и положения дифракционных максимумов от различных кристаллографических плоскостей при температурах от 80 до 300 К исследованы теплофизические свойства Ti41,5Zr41,5Ni17 квазикристаллов и установлено, что их температура Дебая и коэффициент линейного расширения составляют соответственно QД =315±10 К и ?=(8,0±0,5)?10-6 К-1 и являются величинами изотропными.

Методом наноиндентирования исследованы физико-механические свойства и механизм деформации икосаэдрических квазикристаллов системы Ti-Zr-Ni. Определено, что для икосаэдрической фазы с высоким совершенством структуры модуль нормальной упругости и нанотвердости составляют соответственно 113±1 ГПа и 7,1±0,2 ГПа, и является величинами изотропными. Показано, что характер деформации і-фазы при комнатной температуре существенно отличается от деформации кристаллов. Разработана модель процесса деформации квазикристаллов при Т=300 К. Установлено, что энергия активации пластической деформации Ti-Zr-Ni квазикристалла равна 0,70±0,5 эВ/ат.

Исследованы стимулированные химические реакции, изменения структуры, напряженного состояния и свойств кристаллов и квазикристаллов при низко- и среднеэнергетическом облучении ионами, квантами ВУФ и рентгеновскими лучами, насыщении водородом. Показано, что в объеме образцов далеко за пределами поглощения происходит существенное изменение параметров структуры, плотности структурных дефектов и напряженного состояния. При увеличении дозы эффект состоит в начальном повышении совершенства исходной структуры, а затем в накоплении вторичных радиационных дефектов.

Изучены закономерности формирования и механизмы изменения при внешнем воздействии фазового состава и текстуры, величины и распределения остаточных напряжений, уровня микродеформаций и размера областей когерентного рассеяния, типа и плотности структурных дефектов в кристаллических наноструктурированных и квазикристаллических объектах. Установлено, что тонкие кристаллические пленки и квазикристаллические ленты имеют градиентное по толщине изменение параметров структуры, субструктуры, напряженного состояния и свойств. Сделан вывод о том, что формирование и изменение структурного и напряженного состояния в условиях отклонения от условий равновесия происходит во взаимной связи параметров характеризующих структуру и внутренние напряжения, приводя к снижению согласно принципу Ле Шателье-Брауна начального неравновесия, и подчиняется обобщенному уравнению Гиббса-Дюгема.

Ключевые слова: рентгеновская дифрактометрия, тонкие пленки, квазикристаллы, стабильность, структура, структурные дефекты, остаточные напряжения, облучение, модуль Юнга, температура Дебая, насыщение водородом.

Malykhin S.V. Formation mechanisms and evolution processes of structure, stress state, and properties changes in quasi-and nano-crystalline metal films under external factors.- Manuscript.

Thesis on the scientific degree of doctor of physical and mathematical sciences on the specialty of 01.04.07 - solid state physics - Kharkov National University named by V.N. Karazin, Kharkov, 2008.

The thesis is devoted to the problem of establishing general regularities of phase composition, structure, stress state, and properties in nano- and quasi-crystalline samples prepared under extreme conditions significantly deviated from equilibrium, and mechanisms of their evolution under external factors.

Some new methods have been developed, and the known ones have been modified for studying the stress state, and structure parameter determination taking elastic strain in account. Using a complex of the methods, thin crystalline films and quasi-crystalline ribbons have been established to have a gradient depth distribution of the structure and substructure parameters, stress state, and properties. The preparation regimes of quasi-crystalline single-phase samples or the ones with prevailing icosahedral phase have been determined for rapidly quenched Ti-Zr-Ni ribbons. The stability range has been defined for the icosahedral phase, and its thermo-physical and mechanical properties have been studied. A mechanism of room temperature plastic deformation is proposed. Based on the experimental data, Young modulus, linear expansion coefficient, and Debye temperature were concluded to be isotropic over the quasi-crystals. The stimulated chemical reactions as well as structural, stress state, and property changes caused by ion-, VUV-, and X-ray irradiation and hydrogen saturation in crystals and quasi-crystals were investigated.

Key words: X-ray diffraction, thin films, quasi-crystals, stability, structure, structure defects, residual stress, irradiation, Young modulus, hydrogen saturation.

Размещено на Allbest.ru