Вплив структурних дефектів і напружень на фізико-механічні властивості перехідних металів, сплавів і сполук

Размещено на http://www.allbest.ru//

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОФІЗИКИ І РАДІАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

01.04.07 - Фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук

Вплив структурних дефектів і напружень на фізико-механічні властивості перехідних металів, сплавів і сполук

Соколенко Володимир Іванович

Харків - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному науковому центрі “Харківський фізико-технічний інститут” НАН України.

Науковий консультант

академік НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Неклюдов Іван Матвійович,

ННЦ “Харківський фізико-технічний інститут” НАН України, генеральний директор

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор,

Нацик Василь Дмитрович, Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І.Вєркіна НАН України, відділ фізики реальних кристалів, головний науковий співробітник

доктор фізико-математичних наук, професор,

Фінкель Віталій Олександрович, ННЦ “Харківський фізико-технічний інститут” НАН України, начальник лабораторії фізичного матеріалознавства функціональних керамік відділу чистих металів, металофізики і технологій нових матеріалів

доктор фізико-математичних наук, професор,

Спольник Олександр Іванович, Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. Петра Василенка МАП України, завідувач кафедри фізики

Захист відбудеться “17” березня 2008 р. о 14 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.245.01 у Інституті електрофізики і радіаційних технологій НАН України за адресою: 61003, м. Харків, вул. Гамарника, 2, корпус У-3, НТУ “ХПІ”, ауд. 204.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електрофізики і радіаційних технологій НАН України за адресою: 61024, м. Харків, вул. Гуданова, 13. Відгук на автореферат дисертації надсилати на адресу: 61002, м. Харків, вул. Чернишевського, 28, а/с 8812.

Автореферат розісланий “07” лютого 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 64.245.01 Пойда А.

Размещено на http://www.allbest.ru//

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Кристалічні тіла, ґратки яких містять атоми перехідних елементів, мають різні фізичні властивості, що в значній мірі обумовлено наявністю у перехідних елементів частково заповнених внутрішніх електронних оболонок. Проблема вивчення зв'язку структурно-фазового складу і властивостей цих матеріалів і розробка ефективних методів цілеспрямованої їх зміни є актуальною для фізики твердого тіла.

До теперішнього часу в таких великих наукових центрах, як ННЦ “ХФТІ” НАН України, Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Дон ФТІ ім. О.О. Галкіна НАН України, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Федеральне державне унітарне підприємство “Всеросійський науково-дослідний інститут неорганічних матеріалів ім. А.А. Бочвара” (Росія, Москва), National Institute of Standards and Technology (USA, Boulder), Vacuumschmeltze (Germany, Hanau), National Research Institute for Metals (Japan, Tsukuba) і ряді інших наукових установ проведені численні дослідження природи перехідних металів, сплавів і сполук, які містять перехідні елементи, а також процесів формування в них спеціальних структурних станів з різним масштабом довжини при дії різних фізичних полів, що обумовлено потребою в конструкційних матеріалах із високим рівнем експлуатаційних характеристик для багатьох галузей промисловості.

З середини 70-х років минулого сторіччя у відділі фізики твердого тіла і конденсованого стану речовини Інституту фізики твердого тіла, матеріалознавства і технологій ННЦ “ХФТІ” НАН України проводяться систематичні дослідження впливу структурних змін, спричинених силовими, ультразвуковими і магнітними діями, на електрофізичні й механічні властивості та мікроскопічні параметри перехідних металів, сплавів і сполук, частина результати яких представлено у даній дисертації. Ці дослідження були стимульовані необхідністю одержання в перехідних металах і сплавах структур, що забезпечують поліпшення механічних властивостей; відсутністю даних про вплив ультразвуку, ефективного стосовно пластичних металів, на структурний стан і фізико-механічні властивості схильних до крихкого руйнування сполук, які містять перехідні елементи; потребою здобуття даних про вплив механічних напружень на струмопровідну спроможність в сильних магнітних полях технічних надпровідників, що розроблялися. Крім того, за наявності істотних успіхів в експериментальних і теоретичних дослідженнях електротранспорту у нормальному стані, надпровідних і мікроскопічних характеристик досконалих перехідних металів, до початку виконання дисертації були відсутні комплексні експериментальні дослідження і модельні розрахунки цих характеристик для перехідних металів, в кристалічних ґратках яких присутні різні типи дефектів, зокрема таких, що виникають при низькотемпературній деформації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, НДР. Дисертаційна робота містить результати досліджень, які одержано здобувачем в ННЦ “ХФТІ” НАН України при виконанні Державних програм колишнього СРСР і України (“Програма робіт з Атомної науки і техніки Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут” на 1993-2000 р.”, затверджена постановою Кабінету Міністрів України від 20.07.1993 р., №558; “Програма проведення фундаментальних досліджень з атомної науки і техніки Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут” до 2005 р.”, затверджена розпорядженням Кабінету Міністрів України від 13.09.2001 р., № 421-р, № держреєстрації 080901UР0009 від 08.10.2001 р. та ін.) в рамках тем:

“Дослідження фізико-механічних властивостей реакторних і надпровідних матеріалів (сталей аустенітного класу і надпровідників на основі Nb-Ti, Nb3Sn, V3Ga) з різним структурним станом”, шифр (АН-9-6-15/07)/(22-2);

“Дослідження впливу різних видів механіко-термічної і релаксаційної дії (низькотемпературна деформація, ультразвукове опромінювання, програмне навантаження, магнітне поле) на формування структурного стану з підвищеними механічними і надпровідними характеристиками моноатомних, технічних і високотемпературних надпровідників”, шифр 15/12;

“Дослідження низькотемпературної пластичності і руйнування хрому і його сплавів в моно- і полікристалічному станах”, шифр (15/32)/(11-2);

“Дослідження процесів пластичної деформації, структуроутворення, зміцнення і підвищення надпровідних властивостей металів, сплавів і сполук (Nb, Ta, Zr, Nb-Ti, Nb3Sn) з використанням нетрадиційних методів температурно-силових дій”, шифр 15/17;

“Вивчення зв'язку між фізико-механічними властивостями перехідних металів, надпровідних і конструкційних матеріалів на їх основі і дефектною структурою, що створюється температурно-силовими і поверхневими діями”, договір №14/88-15;

“Дослідження впливу температурно-силових, ультразвукових і магнітних дій на структуру і комплекс фізико-механічних властивостей низько- і високотемпературних надпровідників і композитів на їх основі”, договір №9352/07-93;

“Вивчення впливу напружень і деформацій при низьких (4,2-77 К) температурах в поєднанні з термообробкою на дефектну структуру, механічні властивості і критичні параметри технічних надпровідників на основі Nb (Nb-Ti, Nb3Sn)”, шифр 15/35;

“Дослідження процесів формування наноструктур у металах і сплавах в умовах інтенсивних пластичних деформацій при кріогенних температурах і вивчення комплексу механічних, дисипативних, електрофізичних і надпровідних властивостей”, шифр 15/21.

Крім того, роботі проводились в рамках проектів ГКНТ України (“Сніг”, №4/63; “Кріоротація”, №4/64; “Релаксація”, №354) і проекту наукового фонду Сороса U2L200.

При виконанні даних робіт автор дисертації брав участь як виконавець, відповідальний виконавець і співкерівник НДР.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розв'язання проблеми встановлення основних закономірностей і фізичних механізмів впливу деформаційних дефектів і механічних напружень, що виникають при силових, ультразвукових, термоциклічних і магнітних діях у області низьких і помірно низьких температур, а також гартівних вакансій і домішок на електрофізичні і механічні властивості, ефективні мікроскопічні параметри ненадпровідних, надпровідних і магнітоупорядкованих перехідних металів, сплавів і сполук.

Для досягнення поставленої мети в роботі було необхідно вирішити такі задачі:

вивчити в широкому температурному інтервалі (Тс < Т  , і Тс - температура Дебая і надпровідного переходу, відповідно) питомий електроопір ОЦК (Nb, Ta) і ГЦК (Pt) перехідних металів, що містять деформаційні, гартівні дефекти кристалічної ґратки і домішки; встановити закономірності обумовлених дефектами різного типу змін дебаївської температури і інтенсивності розсіяння носіїв заряду в основних каналах;

розвинути в рамках деяких моделей перехідного металу методи обчислення ефективних мікроскопічних і зонних параметрів ОЦК (Nb, Ta) і ГЦК (Pt) перехідних металів, що містять деформаційні, гартівні дефекти і домішки; напруження перехідний інтерметалід

дослідити критичні параметри надпровідності, пінінг вихрової решітки, характер руйнування надпровідного стану струмом і визначити механізми, що їх контролюють, у перехідних металах - елементарних надпровідниках (Nb, V і Zr) з дефектними структурами різного типу, сформованими в результаті низькотемпературної деформації;

вивчити струмопровідну здатність композитів різного типу і геометрії на основі інтерметаліду Nb3Sn в умовах навантаження, що розтягує, при Т = 4,2 К в сильних магнітних полях;

застосувати метод ультразвукової дії для впливу на структурний стан схильних до крихкого руйнування керамічних і композиційних матеріалів на основі сполук перехідних елементів (ВТНП Y-Ba-Cu-O, магнітожорсткий матеріал системи Nd-Fe-B, надпровідний композит на основі Nb3Sn); вивчити механічну стійкість, дисипативні і електрофізичні властивості цих матеріалів після різних режимів ультразвукової дії;

вивчити процеси накопичення і відпалу деформаційних дефектів і їх вплив на опір деформації в умовах знакозмінного навантаження перехідного металу, що характеризується зміною співвідношення основних мод пластичної деформації в різних температурних інтервалах (Zr, сплав Zr-1 мас.% Nb);

вивчити механічні властивості антиферомагнітного перехідного металу (Сr і його малолеговані сплави) з різним змістом домішок проникнення і після дії на структурний стан температурно-силових і магнітних полів при низьких і помірно низьких температурах; визначити механізми впливу структурних змін на механічні властивості.

Об'єктом досліджень є явища і механізми, що визначають пластичну течію і руйнування, перехід із надпровідного в нормальний стан, пінінг вихрової решітки, перенесення заряду у нормальному стані, магнітні перетворення у перехідних металах, сплавах і сполуках. Об'єкт включає експериментальне і аналітичне дослідження властивостей V, Nb, Ta, Zr, Cr, Pt, сплавів на основі Zr i Cr, керамічних ВТНП YBa2Cu3O7-x і магнітожорсткого магнетика Nd2Fe14B, композитів на основі Nb3Sn.

Предметом досліджень є зв'язок механічних и електрофізичних властивостей, ефективних мікроскопічних параметрів і структурних станів перехідних металів, сплавів і сполук, що містять перехідні елементи.

Методи досліджень. Резистивним методом визначалися характеристики електротранспорту в інтервалі температур Тс < Т   та перехід із надпровідного стану в нормальний при зростанні температури і транспортного току (в тому числі в зовнішньому магнітному полі). Тензометрія використовувалася для визначення механічних і дисипативних властивостей. Методами електронної і оптичної мікроскопії вивчалися дефектні структури. Для орієнтації монокристалічних зразків застосовувався метод рентгенівської дифрактометрії. Одержані експериментальні дані використовувалися для обчислень в рамках відомих фізичних моделей при визначенні характеристик механізмів і процесів, що контролюють виявлені зміни фізико-механічних властивостей перехідних металів, сплавів і сполук. Для формулювання узагальнень, висновків і рекомендацій проводився аналіз одержаних результатів із залученням літературних даних.

Наукова новизна одержаних результатів.

Встановлено, що легкі домішки проникнення в ОЦК (Nb, Та) і заміщення в ГЦК (Pt) перехідних металах викликають підсилення міжзонного і послаблення внутрішньозонного електрон-фононного розсіювання та підвищення дебаївської температури. Протилежні ефекти виникають при збільшенні концентрації вакансій і щільності дислокацій.

Для ОЦК (Nb, Ta) і ГЦК (Pt) перехідних металів здійснено кількісні модельні розрахунки і вперше показано, що власні дефекти кристалічної ґратки (вакансії, дислокації) і легкі домішки (проникнення, заміщення) спричиняють зміни різного знаку усереднених по поверхні Фермі ефективних мікроскопічних, а також зонних параметрів, що є наслідком розриву міжелектронних зв'язків і виникнення локалізованих станів з підвищеною енергією зв'язку, відповідно.

Вперше показано, що для надпровідного перехідного металу зі слабим електронним зв'язком (Zr) в порівнянні з перехідним металом із сильним зв'язком (Nb) відносний приріст Тс внаслідок посилення надпровідності на межах деформаційних двійників більш ніж на порядок вищій, що обумовлено сильнішим впливом деформаційних дефектів у Zr на зміну константи міжелектронного притягання.

Встановлена спільність явища термомагнітної нестійкості при струмовому руйнуванні надпровідності у гетерогенних моноатомних надпровідниках другого роду (Nb, V) з дефектними структурами, сформованими при низькотемпературній (4,2…20 К) деформації, що спричиняється термофлуктуаційними стрибками магнітного потоку поблизу деформаційних меж розділу (двійників, ділянок фрагментованої структури) з вищими, ніж в матриці, значеннями локальної густини критичного струму.

Вперше для резистивного стану надпровідника другого роду (монокристалічний ніобій з високою щільністю рівномірно розподілених дислокацій Ndis ~ 1011 cм-2) в широкій області магнітних полів (0,2  b  0,86, b зведене поле) встановлено кореляцію густини критичного струму і нормальної компоненти струму, що відповідає уявленням про крип магнітного потоку внаслідок розкиду локальних значень густини критичного струму.

Вперше для вітчизняних надпровідних композитів на основі сполуки Nb3Sn різного типу і геометрії (стрічка, багатожильні круглий і плющений дроти) визначено струмопровідну здатність в сильних магнітних полях при Т =  4,2 К в умовах прикладення напруження, що розтягує, і з'ясовано процеси і механізми, які контролюють зміни критичного струму в залежності від рівня навантаження.

Вперше показано істотне збільшення механічної стійкості керамічних ВТНП YBa2Cu3O7-х і магнітожорсткого магнетика Nd2Fe14B, а також критичних параметрів надпровідності й механічних властивостей композиту на основі Nb3Sn в результаті малоінтенсивної ультразвукової дії, що пов'язано з перерозподілом точкових дефектів, дисипацією енергії на межах розділу і релаксацією внутрішніх напружень.

Вперше на прикладі Zr показано, що для деформованого металу зі співвідношенням основних мод пластичної деформації (ковзання і двійникування), що змінюється з температурою, проміжний відпал на третій стадії повернення електроопору викликає перехід від зміцнення до знеміцнення внаслідок зниження ефективності механізму закріплення дислокацій точковими дефектами і посилення їх стоку на межі двійників.

Вперше показано “аномальне” зменшення довговічності Zr в режимі малоамплітудної втоми при зниженні температури випробувань від кімнатної до 77 К, що пов'язано з активним двійникуванням на початкових етапах пластичної деформації і накопиченням втомних пошкоджень поблизу меж двійників.

Вперше в області температур 500…4,2 К встановлено основні закономірності процесів пластичної деформації і руйнування монокристалічного хрому різної орієнтації ([100], [110], [111] і [123]) із змістом домішок проникнення Сi  210-2…510-4 мас. % і здійснено кристалографічну ідентифікацію слідів ковзання і двійникування. Показано, що в інтервалі температур 4,2 К  Т  Тх (Тх - температура в'язко-крихкого переходу) для хрому характерно зниження напруження крихкого руйнування, що спричиняється зростанням локальних напружень внаслідок різного температурного ходу коефіцієнтів лінійного розширення матриці хрому і включень других фаз.

Вперше показано, що багаторазові послідовні фазові перетворення із парамагнітного в антиферомагнітні АF1 і АF2 стани і в зворотному напрямку і дія змінного магнітного поля в АF2 стані, внаслідок об'ємного ефекту і магнітострикції, відповідно, а також незначна деформація ковзанням на межах попередньо створених при низьких температурах двійників, викликаючи релаксаційні процеси, спричиняють істотне збільшення запасу пластичності і зниження температури в'язко-крихкого переходу хрому і сплаву ВХ-2К.

Практичне значення одержаних результатів. Результати, одержані в ході виконання дисертаційної роботи, розширюють уявлення про взаємозв'язок структурно-фазового складу і фізико-механічних властивостей кристалічних тіл, ґратки яких містять перехідні елементи.

Результати досліджень електрофізичних, ефективних мікроскопічних характеристик і критичних параметрів надпровідності перехідних металів в різних структурних станах можуть бути використані для розвитку теоретичних досліджень процесів розсіяння носіїв заряду на дефектах різного типу і теорії надпровідності реальних матеріалів даного класу.

Для розвитку теоретичних моделей релаксаційних процесів у кристалічних матеріалах з низькою пластичністю можуть бути використані дані про зміну механічних властивостей композиту на основі Nb3Sn, керамік YBa2Cu3O7-х і Nd2Fe14B в результаті ультразвукового опромінювання, а також Cr і його малолегованих сплавів в результаті термоциклічних і магнітних дій.

Дані про зміну струмопровідної здатності надпровідних композитів при дії механічних напружень представлено в звітах, переданих у зацікавлені організації для використання при розрахунках і виготовленні надпровідних магнітних систем.

Результати досліджень фізико-механічних властивостей Zr рекомендовано для фахівців у області атомного машинобудування і реакторного матеріалознавства. Результати досліджень впливу ультразвуку на фізико-механічні властивості керамічних матеріалів можуть знайти практичне застосування для поліпшення механічної стійкості реальних виробів з них.

Результати досліджень впливу термоциклювання і змінних магнітних полів на пластичність хрому і його сплавів можуть бути використані при розробці методів неметалургійної модифікації структурного стану і поліпшення механічних властивостей магнітних матеріалів.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є узагальненням результатів досліджень, ініційованих і виконаних особисто автором, під його керівництвом або з його основною участю. Дисертант сформулював мету і завдання дослідження. У основних роботах за темою дисертації [1-41] особистий внесок дисертанта полягає в такому. Дисертант особисто сформулював постановку завдань в роботах [2,6,9-12,14-16,18-24,26,29,31,33,34,36,37,39] і брав безпосередню участь у формулюванні основних наукових положень в роботах [1,3-5,7,8,13,17,25,27,28,30,32,35,38,40,41]. Дисертант брав безпосередню участь у підготовці зразків, формуванні в них визначених структурних станів і вивченні мікроструктури; виконав основні дослідження електрофізичних і механічних характеристик; обробив переважну більшість одержаних результатів, здійснив їх трактування і узагальнення. Здобувач самостійно виконав всі розрахунки в рамках використаних фізичних моделей, підготував і написав переважну частину публікацій за темою дисертації.

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на II Всесоюзній школі з фізики міцності і пластичності (Україна, м. Харків, 1981 р.); Конференції “Металофізика надпровідників” (Україна, м. Київ, 1986 р.); Міжнародній конференції з криогенної техніки і криогенного матеріалознавства ICEC/ICMC-92 (Україна, м. Київ, 1992 р.); I Міждержавній конференції “Матеріалознавство високо-температурних надпровідників” (Україна, м. Харків, 1993 р.); ХХХ нараді з фізики низьких температур (Росія, м. Дубна, 1994 р.); VII Міжнародному симпозіумі по критичним струмах в надпровідниках (Австрія, м. Альпбах, 1994 р.), ІІ Міжнародній конференції “Матеріалознавство високотемпературних надпровідників” (Україна, м. Харків, 1995 р.); Міжнародній конференції “Надпровідність. Фізичні аспекти” (Україна, м. Харків, 1995 р.); IV Конференції Європейського керамічного суспільства (Італія, м. Фаєнца, 1995 р.), XXI Міжнародній конференції з фізики низьких температур LT-21 (Чехія, м. Прага, 1996 р.), ХХХII Всеросійській нараді з фізики низьких температур (м. Казань, 2000 р.), XIV Міжнародній конференції з фізики радіаційних явищ і радіаційного матеріалознавства (Україна, Крим, м. Алушта, 2000 р.), VII Міжнародному симпозіумі “Чисті метали” (Україна, м. Харків, 2001 р.), VIII Міжнародному симпозіумі “Високочисті металічні і напівпровідникові матеріали” (Україна, м. Харків, 2002 р.), XLII семінарі “Актуальні проблеми міцності” (Росія, м. Калуга, 2004 р.), Міжнародній конференції “Фізика конденсованого стану речовини при низьких температурах” (Україна, м. Харків, 2006 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 41 друковану працю. Серед них 27 статей (1 без співавторів) у фахових наукових журналах, 14 публікацій в працях і збірках тез міжнародних конференцій і окремому виданні.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із списку умовних скорочень і позначень, вступу, восьми розділів, висновків і списку використаних літературних джерел. Повний об'єм дисертації складає 338 сторінок, включаючи текстовий матеріал на 295 сторінках з 89 рисунками і 34 таблицями. Список використаних джерел включає 451 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначені мета і завдання дослідження, об'єкт, предмет і методи досліджень. Надано відомості про наукові програми і теми, в рамках яких в ННЦ “ХФТІ” НАН України проведено дослідження, та про особистий внесок здобувача. Викладено наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів, повідомлено про апробацію роботи та публікації за темою дисертації, а також про її структуру і об'єм.

У першому розділі “Фізико-механічні властивості перехідних металів, сплавів і сполук. Роль спотворень і дефектів кристалічної ґратки (Літературний огляд)” представлено аналіз літературних даних з проблеми взаємозв'язку структури і властивостей ряду перехідних металів, сплавів і сполук. Розглянуто результати досліджень електротранспорту в неферомагніт-них перехідних металах і обґрунтовано прийнятність двохзонної моделі для опису експериментальних температурних залежностей питомого електроопору  (Т) (Тс < Т  ) реальних перехідних металів. Проведено аналіз робіт по впливу дефектів і механічних напружень на критичні параметри надпровідності пере-хідних металів і сполуки Nb3Sn. Розглянуто результати досліджень механічних властивостей керамічних матеріалів (ВТНП Y-Bа-Cu-O, магнітожорсткий магнетик Nd-Fe-B). Дано короткий огляд механізмів пластичної деформації і характеристик втоми Zr і його сплавів. Проаналізовано результати досліджень магнітних і механічних властивостей хрому і його малолегованих сплавів.

Наведені дані характеризують рівень виконаних досліджень і певні успіхи в рішенні важливої для фізики твердого тіла проблеми - зв'язку структурно-фазового складу і властивостей кристалічних тіл, ґратки яких містять перехідні елементи. Зроблено висновок, що для ефективного просування у цьому напрямі необхідно для різних представників даної групи твердих тіл (ненадпровідні, надпровідні, магнітоупорядковані перехідні метали, сплави і сполуки) виконати комплексні дослідження:

- процесів формування особливих структурних станів з використанням нетрадиційних видів впливу (силові, ультразвукові і магнітні в області низьких і помірно низьких температур);

- основних закономірностей і фізичних механізмів змін електрофізичних і механічних властивостей, ефективних мікроскопічних параметрів в різних структурних станах, сформованих в результаті вказаних дій, а також при введенні домішок і гартівних дефектів.

У другому розділі “Експериментальні методики” дана коротка характеристика основних фізичних властивостей досліджуваних матеріалів (перехідні метали V, Nb, Ta, Zr, Pt, Cr; сплави на основі Zr і Сr, сполуки YBa2Cu3O7-x, Nd2Fe14B, Nb3Sn,) у широкому інтервалі температур, обґрунтовано застосування для впливу на їх структурний стан визначених видів дій і описані відповідні методики. Наведено також опис методик визначення фізико-механічних характеристик експериментальних зразків досліджуваних матеріалів (короткочасні механічні випробування; втомні випробування знакозмінним консольним вигином і крученням; вимірювання внутрішнього тертя, електро-опору, критичних параметрів надпровідності, намагніченості), їх структурного стану (оптична і електронна мікроскопія) і метода математичної обробки результатів.

У третьому розділі “Електротранспорт у нормальному стані і мікроскопічні параметри ОЦК і ГЦК перехідних металів, які містять домішки, деформаційні і гартівні дефекти кристалічної ґратки” представлено результати вивчення впливу різних типів дефектів кристалічної ґратки (вакансій, дислокацій, домішок) на температурні залежності питомого електроопору в інтервалі температур від низьких до Т ?  Pt, Nb і Ta й модельних розрахунків ефективних мікроскопічних та зонних параметрів цих металів в різних структурних станах. Зразки Nb і Ta відрізнялися змістом домішок проникнення (О, С, N, H) і характеризувалися відношенням електро-опору R294 K/Rn = 80 і 17 (Nb-80 і Nb-17), R294 K/Rn = 420 і 16 (Ta-420 і Ta-16). Після деформації прокаткою при 20 К значення середньої густини дислокацій в Nb-17 збільшилося з ~ 108 см-2 до ~ 1011 см-2 (Nb-13). Зразки Pt з сумарною концентрацією Сi ~ 10-3 ат.% домішок Si, Al, Fe, Sn, Sb (Pt-2, 99,95 мас.%) деформувалися крученням при 4,2 К і піддавалися проміжному відпалу при 250 K (Pt-3) і 450 К (Pt-4), а також гартуванню від 1500 К (Pt-5). У високочистій термометричній платині (Pt-1, 99,998 мас. %) зміст домішок був мінімальний.

Показано, що для всіх структурних станів Nb, Ta і Pt масиви експериментальних точок температурних залежностей електроопору в інтервалі температур Тс < Т  300 К з точністю до 1,5 % описуються формулою відповідної моделі Вільсона-Мота двозонного перехідного металу, що враховує міжзонне s-d (~ T3) і внутрішньозонне s-s (~ T5) електрон-фононне розсіяння (для Pt додатково враховувалося електрон-електронне e-e розсіяння (~ T2)). Тут 0 залишковий питомий електроопір, Jn(/T)  інтеграли Дебая; а, b і с коефіцієнти, що характеризують інтенсивності e-e, s-d и s-s розсіяння, відповідно.

Табл. 1 ілюструє пов'язані з дефектами кристалічної ґратки зміни параметрів  (Т) Nb, Ta і Pt, що одержані при порівнянні характеристик пар досліджуваних зразків. Видно, що збільшення концентрації вакансій і густини дислокацій викликає зниження , послаблення s-d і посилення s-s розсіяння; при введенні легких домішок проникнення (у Nb і Та) і заміщення (у Pt) характерні ефекти протилежного знаку. На підставі порівняння результатів експериментів і модельних обчислень висловлено припущення, що кулонівська електрон-електронна взаємодія, пов'язана з обміном віртуальними фононами, є можливою причиною квадратичного по температурі внеску в  (Т) Pt, який істотно збільшується при наявності деформаційних і гартівних дефектів.

Таблиця 1

Вплив дефектів кристалічної ґратки на параметри (T).

Ndis, Ci і Cv - густина дислокацій, вміст домішок і вакансій, відповідно

Параметри залежності (T) містять інформацію стосовно спектрів елементарних збуджень і характеристик їх взаємодії. Для кількісних оцінок було розвинуто метод обчислення ефективних мікроскопічних параметрів неідеального перехідного металу з урахуванням ефектів часу життя збуджених електронів при розсіянні на дефектах і теплових фононах і використанням результатів вказаної обробки (T) а також з додатковим залученням значень Тс. Одержані дані використовувалися для обчислення зонних параметрів в рамках моделі Фріделя двозонного перехідного металу в приближенні відсутності зміни енергії Фермі у різних структурних станах.

Встановлено, що деформаційні і гартівні дефекти викликають ефекти, які кількісно розрізняються, але якісно подібні: звуження d-зони, зменшення числа d-електронів і радіусу d-стану, зниження швидкості і збільшення ефективної маси носіїв і зростання щільності станів в кожній із зон. Усереднені по поверхні Фермі значення фермівської швидкості і плазмової частоти зменшуються. Домішки проникнення (для Nb і Ta) і заміщення (для Pt) викликають ефекти протилежного знаку (за винятком змін 0). Для надпровідних перехідних металів (Nb, Ta), у протилежність ефекту від дислокацій, домішки проникнення спричиняють зниження константи електрон-фононної взаємодії, лондоновської глибини проникнення і збільшення довжини когерентності. Спостережені зміни комплексу ефективних мікроскопічних параметрів перехідних металів при введенні в них домішок і власних дефектів кристалічної ґратки (вакансій, дислокацій) пов'язані з розривом міжелектронних зв'язків і виникненням локалізованих станів з підвищеною енергією зв'язку, відповідно.

У цьому ж розділі приведено результати експериментального визначення внеску одиничної дислокації в питомий електроопір dis монокристалічного Nb з високою густиною рівномірно розподілених дислокацій (Ndis  1,31011 см-2) і розрахунків dis Nb в рамках існуючих моделей. Одержане експериментальне значення dis  (9±3)10-19 Омсм3 знаходиться у хорошій відповідності з літера-турними даними для ряду ОЦК перехідних металів (Mo, W, Fe, V). Результати обчислень dis Nb в рамках моделі резонансного розсіяння електронів на дислокаціях свідчать про ~ 50 % відповідність експериментальної величині.

У четвертому розділі “Вивчення фізичної природи зміни критичних параметрів надпровідності перехідних металів в результаті низько-температурної деформації” представлено результати комплексних досліджень впливу різних типів дефектних структур, сформованих при деформації розтягуванням, стисканням, крученням при Т = 4,2 К і прокаткою при Т = 20 К, на температуру надпровідного переходу, критичний струм, пінінг і резистивний стан полікристалічних зразків Nb, V і Zr і монокристалів Nb текстурної орієнтації (001)[110].

Зміни кривої s-n переходу полікристалічного Nb (99,89 мас.%,), деформованого стисканням при 4,2 К. При напруженнях   300 МПа на кривих спостерігаються сходинки, що свідчить про виникнення в матеріалі ділянок з вищими значеннями Тс. У міру зростання домінує сигнал від нової високотемпературної “фази”. При  ~ 700…950 МПа відбувається насичення приросту Тс, що досягає  1 К. Якісно схожа картина змін кривих s-n переходу Nb спостерігається у разі деформації розтягуванням. Розвантаження зразків Nb, деформованих як стисканням, так і розтягуванням, викликає зниження деформаційного приросту Тс на ~  20 %.

Після відігрівання до кімнатної температури величина приросту Тс деформованих на д  7..10 % прокаткою при 20 К монокристалічних (99,89 мас.%, Тс0 = 9,15 К) і розтягуванням при 4,2 К полікристалічних (99,956 мас.%, Тс0 = 9,30 К) зразків Nb складає  0,1 К.

Для Zr (99,95 мас.%), деформованого розтягуванням при 4,2 К (д = 8 %) і відпаленого при 300 К, величина Тс підвищується на  20 %. Деформація Zr здійснюється переважно двійникуванням.

Аналіз результатів показав, що збільшення Тс Nb і Zr, деформованих при низьких температурах на малі ступені (до д  10 %), обумовлено превалюванням ефекту посилення надпровідності на межах двійників над внеском в приріст Тс за рахунок дислокаційного механізму. Спостережена сильна відмінність відносного ефекту збільшення Тс надпровідника зі слабим електронним зв'язком Zr і сильнозв'язаного надпровідника Nb обумовлена сильнішим впливом деформаційних дефектів у Zr на константу міжелектронного притягання в рамках теорії БКШ.

Для полікристалічного Nb (99,89 мас.%), деформованого прокаткою при 20 К на 37 %, дефектна структура якого складається з дислокацій, відпали в температурному інтервалі 3-й стадії повертання електроопору спричиняють немонотонну зміну Тс (рис. 3, кр. 2), що обумовлено зміною електрон-фононної взаємодії внаслідок перерозподілу вакансіонно-кисневих комплексів.

Для деформованих крученням при 4,2 К полікристалічних ніобію (99,956 мас. %, Tс0 = 9,20 K; 99,89 %, Тс0 = 9,15 К) и ванадію (99,9 мас. %, Tc0 = 5 K) із зростанням деформації зсувом і напруження течії в області малих і середніх магнітних полів спостерігається зниження критичних струмів і їх збільшення при розвантаженні і відпалі зразків. У менш чистому ніобії спостережений ефект зниження Jc приблизно в два рази менший. З рис. 4 витікає кореляція між ?Тc / Tc0 (?Тc = Тc  Tc0, Tc0 і Тc - температура надпровідного переходу в вихідному і деформованому станах, відповідно) і ?Jс/Jс0 (?Jс = Jс0  Jс, Jс0 і Jс - критична густина струму в вихідному і деформованому станах, відповідно) у інтервалі значень деформації зсувом г від ~ 0,01 до ~ 0,1 для обох металів. У цих же умовах для Nb і V характерно інтенсивне двійникування і прояви ротаційної пластичності.

Для монокристалічного Nb (Тс0 = 9,15 К, сn0 = 0,937 мкОмсм) текстурної орієнтації (001)[110], деформованого прокаткою при 20 К на 42 %, з гетерогенним характером структури, що поєднує фрагментовані області в приповерхневих шарах і рівномірно розподілені дислокації високої щільності (Ndis  1,31011 см-2) в центральній частині зразка, характерні нижчі значення Jc і об'ємної сили пінінгу Fp в порівнянні з гомогенним станом, який одержано після видалення шарив з фрагментованою структурою.

Спостережуване “аномальне” зниження макроскопічних критичних струмів у Nb і V пов'язано з посиленням термомагнітної нестійкості в місцях локалізації пластичної деформації і обумовлено протіканням локальних критичних струмів високої густини. Оцінки, виконані з використанням критерію адіабатичної стійкості критичного стану, що характеризує спонтанний розігрів надпровідника другого роду, викликаний малим зовнішнім збуренням, значень приросту Тс і ширини зони акомодації поблизу меж двійників показали, що в рамках моделі критичного стану Біна значення порівняні із струмами розпарювання.

Для монокристалічного Nb з гомогенною дефектною структурою, що характерізується високою щільністю рівномірно розподілених дислокацій, рези-стивний стан з хорошою точністю описується рівнянням , де компонента нормального струму J1=Uf (f диференціальна провідність, обумовлена переміщенням нормальної серцевини вихорів) і U0 = const. Відрізки вольт-амперних характеристик, відповіді крипу магнітного потоку, були використані для визначення параметрів рівняння для J(U). У широкої області магнітних полів 0,2  b  0,86 (b  H/Hc2) встановлена кореляція густини нормального струму і критичного струму що якісно відповідає уявленням про крип потоку внаслідок розкиду локальних значень густини критичного струму.

У п'ятому розділі “Вплив напружень і деформацій на струмопровідну здатність і механічні властивості надпровідних композитів на основі Nb3Sn” представлені результати досліджень змін критичних параметрів надпровідних композитів, які одержані методом твердофазної і рідкофазної дифузії, під дією навантажень розтягування при температурі рідкого гелію, а також комплексу надпровідних і механічних характеристик “природного” композиту в результаті ультразвукового опромінювання в інтервалі температур 4,2…300 К.

В умовах прикладення напруження розтягу при Т = 4,2 К досліджувалася струмопровідна здатність дротяних і стрічкового композитів. У дротах діаметром d = 0,5 мм, що містили n = 7225 жил в бронзовій матриці, надпровідний шар Nb3Sn формувався при відпалі в режимі: Твід = 1020 К, tвід = 2 год.

Нестабілізований і стабілізований ніобієм плющений дріт товщиною h = 0,3 мм (площа перетину 1,2 мм2) і стабілізований дріт круглого перетину d = 0,3 мм з n = 14641 (коефіцієнт заповнення по ніобію  17,5 %) проходили термообробку в умовах: Твід = 970 К, tвід = 2 і 48 год. Стрічковий композит шириною 5 мм містив центральний шар Nb легованого Zr (1 мас. %), та прилеглі шари Nb3Sn, сформовані в результаті рідкофазної дифузії (Твід = 1210 К, tвід = 0,5 год.), із напаяними стрічками з мідної фольги.

Внаслідок вищого (у  2,5 рази) коефіцієнту термічного розширення бронзової матриці в порівнянні із сполукою Nb3Sn шари інтерметаліду при охолоджуванні піддаються дії стискуючих напружень, що спричиняє зниження параметрів надпровідності. Поведінка Jс під навантаженням значною мірою залежить від конструкції композиту, характеру напружено-деформованого стану початкового матеріалу і режиму формування основної надпровідної фази.

Первинне збільшення Jс під навантаженням характерне для нестабілізованих композитів з відносно низьким змістом Nb3Sn (tвід = 2 год.). На рис. 6 наведено залежності Jс() нестабілізованого дротяного композиту з n = 7225. Для плющених зразків із зростанням напруження розтягу до   0,5В збільшення Jc складає ~ 20 %.

Відпал протягом 48 год. зразків, деформованих прокаткою, забезпечує високий ступінь напрацювання інтерметаліду і зменшення рівня напружень стиску. Такий відпал призводить також до значного зниження межі текучості композиту в інтервалі температур 300…4,2 К, що сприяє протіканню релаксаційних процесів на міжфазних межах за рахунок маломасштабних переміщень дислокацій в матриці під дією зростаючих з пониженням температури механічних напружень. Тому для відпаленого протягом 48 год. композиту в умовах зовнішнього навантаження не спостерігається різка зміна критичного струму: Jс практично не змінюється до напружень   0,2В, потім в інтервалі (0,2…0,85)В знижується на ~ 8 %, після чого різко падає.

Присутність стабілізуючого елементу в конструкції композиту, крім збільшення його механічної стійкості, обумовлює також зниження рівня стискуючих напружень, внаслідок чого у плющеного дроту з мінімальною товщиною шару Nb3Sn не виникає стадія збільшення Jс і залежність Jc() має монотонний характер: прикладання невеликих напружень ( ~ 0,1В) викликає зниження Jс в зразках відпалених як протягом 2 год., так і 48 год., причому в останньому випадку ефект зниження Jс сильніше виражений до напружень ~ 0,9В.

Для стрічкового композиту рівень виникаючих термічних напружень буде нижчий в порівнянні з провідниками, виготовленими за бронзовою технологією. В умовах дії навантаження розтягу в макропружній області (  250 МПа) спостережено незначний ( 0,5%) максимальний ефект збільшення Тс при практично відсутній зміні намагніченості. Оцінки показали, що подібне збільшення Тс обумовлено компенсацією стискуючих напружень термічної природи.

Незворотна деградація критичних параметрів надпровідності, що спостерігається у всіх типів композитів, виникає при визначених величинах зовнішнього навантаження і пов'язана з появою мікротріщин в шарах Nb3Sn.

Ультразвуковій дії (УЗД) піддавався “природний” композиційний надпровідник (d = 0,5 мм, n = 55) з об'ємною часткою фази Nb3Sn  10 %. УЗД здійснювалася в інтервалі температур 4,2  ТУЗД  300 К у режимі: tУЗД = 20 хв., амплітуда коливань 1 мкм, частота 18,5 кГц. Істотне збільшення Тс і механічних характеристик композиту спостерігається у всьому інтервалі ТУЗД . Зниження величини відносного електроопору R300 К//R18 К (що корелює із зміною Тс) свідчить про зменшення ступеню спотворення надпровідного шару, що є наслідком релаксації міжфазних термічних напружень. Польові залежності густини критичного струму Jс(В) в різних структурних станах композиту представлені на рис. 8, з якого витікає, що відносне збільшення Jс в результаті УЗД підсилюється із зростанням магнітного поля і складає  30 % для ТУЗД = 77 К при В ? 7 Тл.

Максимальна зміна комплексу фізико-механічних характеристик після ультразвукової дії при 77 K пов'язується з особливостями температурного ходу пружних модулів матеріалу і тією обставиною, що при нижчих температурах впливу піддається фаза з тетрагональною ґраткою.

Здійснено аналіз можливих мікроскопічних механізмів, що контролюють зміни струмопровідної здатності композитів в результаті прикладання напруження розтягу і ультразвукової дій. Показано, що при зниженні термічних стискуючих напружень в надпровідній фазі Nb3Sn відбувається підвищення густині критичного струму. Це є результатом зростання елементарної сили пінінгу, що виникає через взаємодію вихорів з межами зерен при розсіянні електронів на межі, внаслідок збільшення Тс і коефіцієнту електронної теплоємності та зменшення довжини когерентності.

У шостому розділі “Вплив ультразвукових дій на фізико-механічні властивості керамічних матеріалів на основі сполук Nd2F14В і YBa2Cu3O7-х” розглянуто результати комплексних досліджень механічних, електрофізичних властивостей і характеристик низькочастотного ( = 0,18...0,9 Гц) внутрішнього тертя ВТНП Y-Ba-Cu-O і магнітожорсткого матеріалу системи Nd-Fe-B, структурний стан яких змінювався в результаті ультразвукової дії в різних режимах.

Досліджувалися керамічні зразки YBa2Cu3O7-х і Nd2F14В з об'ємною густиною м = 5,12, 5,52, 6,18 г/см3 і м = 6,97, 7,15, 7,45 г/см3, відповідно, одержані в різних умовах. Режими УЗД відрізнялися температурою (ТУЗД = 77…870 К), тривалістю (tУЗД = 5…104 с) і амплітудною механічного напруження (УЗД  4…48 МПа). Вимірювання декременту крутильних коливань і динамічного модулю зсуву G проводилися в області температур 77…560 К.

ВТНП кераміка. Показано, що густина кераміки істотно впливає на ефект зміни механічних властивостей в результаті ультразвукової дії. УЗД при ТУЗД = 77...300 К спричиняє збільшення межі міцності кераміки з м = 5,52 г/см3 в середньому на ~ 20 %. Із зростанням ТУЗД в інтервалі температур 270…850 К для кераміки з м = 5,52 г/см3 спостерігається збільшення B (рис. 9), яке досягає насичення при ТУЗД ~ 600 К (B/B0 = 75 %). Для кераміки з м=6,18 г/см3 і B0 = 326 МПа ефект зміцнення після УЗД (tУЗД = 5 хв.) незначно (на ~ 13 %) зменшується в температурному інтервалі 250...650 К. Вплив фактору тривалості УЗД виявляється в немонотонній зміні B і Тс при монотонному збільшенні ширини надпровідного переходу Тс і питомого електроопору n (рис. 10, табл. 2).

Таблиця 2

Величини Тс, Тс, n і В ВТНП кераміки з м = 5,12 г/cм3 у вихідному стані і після УЗД різної тривалості при ТУЗД = 373 К і УЗД ? 4 МПа

Зміни структурного стану і, відповідно, фізико-механічних властивостей в результаті УЗД обумовлено протіканням декількох процесів. Ультразвукова дія малої тривалості (5…10 с) спричиняє максимальне збільшення B і Тс, що корелює із зниженням фону і пригніченням піків внутрішнього тертя, які характеризують міграцію домішок і ступінь впорядкування кисневих вакансій в площинах Сu2О. Такі зміни дисипативних характеристик є наслідком релаксаційних процесів поблизу концентраторів напружень, а також зниження рівня неоднорідних внутрішніх термічних напружень в зернах полікристалічного зразка. При фіксованому tУЗД в інтервалі ТУЗД = 450…750 К збільшення приросту B кераміки з м = 5,52 г/см3 відображає посилення релаксаційних процесів унаслідок зростання ефективності УЗД за рахунок зниження модулю зсуву, а так само збільшення дифузійної рухливості точкових дефектів.

Зменшення досягнутих приростів Тс і ВТНП кераміки в результаті збільшення експозиції (tУЗД  60 c) і підвищення температури УЗД (ТУЗД > 750 K) зв'язується з накопиченням втомних пошкоджень і зростанням рівня внутрішніх напружень.

Для керамічного магнітожорсткого магнетика системи Nd-Fe-B встановлено закономірності впливу об'ємної густини, режимів УЗД і деформації зсувом на механічну стійкість, характеристики внутрішнього тертя і модуль зсуву.

Усереднена величина межі міцності зразків з  = 7,15 г/см3 при збільшенні узД від 4 до 12 МПа практично не змінюється (табл. 3). Суттєве зростання (на ~ 20 %) спостерігається після УЗД з узД = 19 МПа і tУЗД = 20 хв.

Таблиця 3

Величини В і керамічного магнетика Nd-Fe-B в вихідному станіі після УЗД в різних режимах при ТУЗД = 300 К

Для зразків з  7,45 г/см3 УЗД з tузД = 5 хв. в інтервалі температур 77  ТУЗД  473 К спричиняє зменшення розкиду значень В і збільшення (до 8 %) після УЗД при 77 К з узД ?48 МПа, а при УЗД = const  19 МПа при підвищенні ТУЗД з 300 до 473 К значення В стає нижче вихідного.

Дані табл. 4 свідчать про немонотонність змінення зразків з  = 7,15 г/см3 залежно від кількості циклів навантаження N при УЗД. Зростання на ~ 20 % після N = 9104 порівняне з ефектом після УЗД з узД ? 19 МПа, але більшою експозицією (tУЗД = 20 хв.). Збільшення N в інтервалі 9,0105…9,7106 циклів викликає помітне зниження в порівнянні з вихідним значенням.

Таблиця 4

Значення зразків магнетика системи Nd-Fe-B з  = 7,15 г/см3 в вихідному стані і після УЗД при ТУЗД = 300 К з уЗД  48 МПа

Релаксаційні процеси при УЗД, що спричинять збільшення механічної стійкості, пов'язані, в основному, з поглинанням енергії звукової хвилі на межах зерен через відмінність об'ємної густини тіла зерна і межі, де знаходиться фаза збагачена Nd, присутні пори і мікропорожнини. В результаті мікрозсувної релаксації поблизу концентраторів напружень (неоднорідності структурно-фазового складу матеріалу) напруження, необхідне для зростання мікротріщин за механізмом Гріфітса, підвищується, що відбивається в спостереженому зростанні В.

Додаткове поглинання енергії механічних коливань в Nd-Fe-B обумовлене магнітомеханічним гістерезисом. Цей процес проявляється у вигляді піків на температурних залежностях декременту  (Т) ?і значних дефектів модуля на кривих G(T) в визначених інтервалах температур. Для вихідного стану матеріалу з  = 7,45 г/см-3 різке зростання ?спостерігається при Т > 350 K. Після УЗД при ТузД = 300 К з узД = 19 МПа і tузД = 5 хв. характерне сильне (більш, ніж в 20 разів) збільшення висоти і зсув на  120 К у бік нижчих температур максимуму високотемпературного піку. Розм'якшення модулю в області цього піку складає ~ 55 %. Після знакозмінної зсувної деформації з максимальним напруженням 2,5 МПа ефекти зміни висоти і положення високотемпературного піка виражені в меншій мірі. Спостережені після УЗД різкі зміни модулю зсуву в інтервалі 360…560 К з подальшим виходом залежності G(T) на плато пов'язуються з насиченням меж вакансіями і загостренням концентраторів напружень у вигляді пор і мікротріщин, які збільшуються, що спричиняє зниження механічної стійкості зразків з  = 7,45 г/cм3 після УЗД невеликої тривалості при 473 К, а також зразків з  = 7,15 г/см3 після максимальної експозиції УЗД при 300 К (табл. 4).

У сьомому розділі “Дослідження процесів формування дефектних структур, відпалу деформаційних дефектів і їх впливу на опір пластичній деформації при знакозмінному навантаженні цирконію у області температур 4,2…373 К” представлено і проаналізовано одержані дані про втомну міцність цирконію і сплаву на його основі в умовах знакозмінної деформації в широкому інтервалі температур, включаючи низькі, про процеси накопичення і відпалу деформаційних дефектів і їх вплив на зміну напруження течії.