книги из ГПНТБ / Ямалеев К.М. Диффузное рассеяние рентгеновских лучей стареющими сплавами

ДиФФудное_юс.сеяние рентгеновских луче?! стареющими сплавами. Ямалеев К.М. Изд-во 'Н аука', 1973. 1-100.

Монография посвящена некоторым вопросам теории диффузного рассеяния рентгеновских лучей стареющими сплавами и методам анализа диффузных дифракционных эффектов.

В теоретической части рассматривается диффузное рассеяние рентгеновских лучей в сплавах с неоднородностями типа зонГинье - Престона, с частицами фазы выделения, с модулированной структурой, упругоискаженных областей и т. д. В методической части изложены аналитические и графические методы расчета диффузных дифракционных эффектов и некоторые методы малоуглового диф­ фузного рассеяния рентгеновских лучей.

Книга рассчитана на научных и инженерно-технических работ­ ников, специализирующихся в областях рентгеноструктурного анали­ за, физики твердого тела, методов исследования строения реаль­ ных кристаллов; она также может быть полезной для аспирантов и студентов старших курсов технических вузов.

Иллюстраций 41, библногр. 60 назв.

О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р канд. техн. наук В.С. Авзянов

0234;3111-0539

1026-73 ( с ) Издательство 'Н аука', 1973 г.

Я 042(02)-73

ПРЕДИСЛОВИЕ

Известно, что свойства сплава заданного состава могут су­ щественно изменяться при изменении его структуры, как грубой, микроскопической, так и тонкой, субмикроскопической и кристал­ лической. В силу этого фазовые превращения все шире использу­ ются в промышленности как один из основных способов улучшения ряда важнейших свойств - таких, как прочность, коэрцитивная сила, электрические свойства и т.п. Очевидно, что для построения теории сплавов, позволяющей проводить поиски композиций и ме­ тодов обработки, необходимо знать закономерности структурных изменений в процессе фазовых превращений сплавов. Для решения этих з адач наиболее подходящими и продуктивными являются ди­ фракционные методы, в особенности методы исследования диффуз­ ного рассеяния рентгеновских лучей.

Диффузное рассеяние рентгеновских лучей в кристаллах известно со времен первых работ по изучению взаимодействия их с вещест­ вом. Однако до недавнего времени основное внимание исследова­ телей было направлено на анализ селективных максимумов. Рас­ сеяние рентгеновских лучей, известное как лауэвское или брэг­ говское отражение, приводящее к появлению дифракционных пятен на рентгенограммах монокристаллов, обусловлено взаимодействи­ ем рентгеновских лучей с атомами, расположенными в виде ре­ гулярной периодической решетки. Анализ селективных максимумов позволил расшифровать атомную структуру большого числа кристал­ лов И возвести стройное здание современной кристаллохимии, которая занимается установлением связи между химическим сос­ тавом вещества, его кристаллической структурой и свойствами.

Как уже установлено, дифракционные картины кристаллических веществ, получаемые при рассеянии на них рентгеновских лучей, электронов и нейтронов, всегда состоят из селективных максиму­ мов и диффузного фоно. Любой род отклонений от правильных по­ ложений атомов или неупорядоченность в размещении разнород­ ных атомов в структуре реальных кристаллов создает дополни­ тельно к брэгговским максимумам диффузное рассеяние, интерес к анализу которого в последние годы значительно вырос. Эго свя­ зано с тем, что оно содержит весьма ценную информацию о раз­ личного рода несовершенствах структуры. Исследование характера

и распределения интенсивности диффузного рассеяния рентгеновских лучей в кристаллах, особенно анализ его путем построения облас­ тей диффузного рассеяния в обратном пространстве кристалла,

позволяет изучить статические несовершенства структуры (началь­ ные стадии распада пересыщенных твердых растворов, разупорядоченносгь, ошибки роста и др. ), детально исследовать фононный спектр (динамические несовершенства), определить коэффициенты тензора упругости и т.д. Методы диффузного рассеяния также широко начали применяться при изучении формы и ориентировки молекул в органических кристаллах. Перечисленные возможности данных методов делают их важным средством исследования строе­ ния реальных кристаллов.

Диффузное рассеяние рентгеновских лучей в кристаллах про­ является как вследствие колебания (тепловые составляющие), так и в результате статических смешений атомов (структурные составляющие). Исследования второй группы явлений привели к разработке более глубоких теорий: 1 ) дисперсионно-твердеюших

сплавов, в которых происходит выделение новой фазы; 2) дефек­ тов решетки, связанных с образованием твердых растворов и с дислокациями; 3) процосса упорядочения сплавов.

Систематическое изучение диффузного рассеяния рентгеновских лучей металлическими сплавами началось с работ А.Гинье и Г.Д. Престона. В 1939-1940 гг. на рентгенограммах, снятых со стареющих сплавов, ими были открыты диффузные пятна и по­ лосы, положение которых не соответствовало условиям Брэгга. Интенсивность этих дифракционных эффектов, в отличие от теп­ ловых диффузионных максимумов, несколько увеличивалась с по­ нижением температуры, поэтому их нельзя было объяснить теп­ ловым колебанием атомов. Они имели, как правило, структурную природу.

Пионерами в области разработки и применения методов диф­ фузного рассеяния рентгеновских лучей в нашей стране были А.М. Елистратов и Ю.А. Багаряшшй. Позднее эти методы по­ лучили развитие в трудах Ю.Д. Тяпкцпа, М.А. Кривоглаза, М.И. Захаровой, Г.В.Клещева , А.В. 'Добромыслова, К.М. Ямлле-

ева и др. В настоящее время имеется большое количество работ, посвященных изучению процесса фазовых превращений, особенно распада пересыщенных твердых растворов, методами дш(х))узного рассеяния. Однако следует отметить, что современная теория далеко не всегда может объяснить сложные дифракционные эф­ фекты. Во многих случаях картина усложняется тем, что в спла­ вах различные виды структурных изменений происходят одно­ временно, что приводит к наложению областей диффузного рассеяшія различных типов одна на другую.

Процесс старения сплавов, как известно, сопровождается раз­ нообразными по виду и сложными по характеру структурными изменениями, определяемыми в основном различиями атомных объемов, типами кристаллических решеток выделяющейся фазы и матрицы, а также упругими свойствами фнз. К характерным крис-

таллострухтурным превращениям при распаде пересыщенных твер­ дых растворов можно отнести формирование и рост зон ГиньеПрестона с последующим переходом их в фазу выделения, не­ посредственное образование кристаллической структуры новой фа­ зы, образование модулированной структуры. С этими структурными превращениями в основном и связано появление характерных диф­ фузных дифракционных эффектов на рентгенограммах стареющих сплавов. У большинства сплавов формирование структуры новой фазы сопровождается упругими искажениями окружающей матри­ цы, что приводит к появлению на рентгенограммах характерных диффузных дифракционных картин. Изложение теории (глава I ) проводилось с учетом указанных особенностей диффузного рассея­ ния рентгеновских лучей стареющими сплавами.

Во II и III главах изложены восемь аналитических и три графических метода расшифровки дифракционных эффектов. Метод диффузного малоуглового рассеяния рентгеновских лучей из­ ложен в главе IV.

В заключение следует отметить, что описанные в книге мето­ ды в одинаковой мере могут быть использованы для анализа диф­ фузных эффектов на рентгенограммах, полученных как с моно­ кристаллов, так и с грубозернистых образцов любого вещества.

Г л а в а I

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ДИФФУЗНОГО РАССЕЯНИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ СТАРЕЮЩИМИ СПЛАВАМИ

Рассеянию рентгеновских лучей несовершенными кристаллами посвящено большое количество работ [1 -10]. Однако в цих с дос­ таточной полнотой изучен вопрос, связанный с одним из видов не­

рассеяния рентгеновских лучей неоднородными, искаженными крис­ таллами и сплавами с модулированной структурой и с зародыша­ ми новой фазы практически не рассматривались [10, 11].

Прежде чем приступить к изложению теоретических сторон проблемы, коротко остановимся на некоторых характерных раз­ личиях диффузных дифракционных картин, обусловленных структур­ ными изменениями в стареющих сплавах, без рассмотрения ме­ ханизма фазового превращения, так как это выходит за рамки данной книги.

Как известно, в сплавах типа Al—Ag и А)—Zn на начальных стадиях старения образуются сферические зоны Гішье - Престона (зоны ГП), которые приводят к появлению на рентгенограммах диффузных дифракционных эффектов в виде гало и серпа (рис. 1, а, б). Расчеты, проведенные путем построения областей диффуз­ ного рассеяния (о.д.р. ), показывают, что этим эффектам в обрат­ ном пространстве кристалла соответствуют о.д.р. в виде вложен­ ных одна в другую полых сфер. Если центры сфер совпадают, то проекция сечения сферы Эвальда на рентгенограммах будет в ви­ де гало (рис. 1,6), а если смещены - диффузный эффект будет выражен в виде серпа (рис. 1,а). Относительное смещение цент­ ров сфер в пространстве обратной решетки обусловливается нали­ чием разницы в параметрах кристаллических решеток зон ГП и матрицы. При дальнейшем старении сплавов такого типа происхо­ дит превращение сферических зон ГП в пластинчатые области вы­

деления новой фазы. На рентгенограммах, полученных на этой ста­ дии старения сплавов, наблюдаются диффузные эффекты двумерной дифракции (ДЭ) (рис. 2), Диффузным эффектам этого типа в про­ странстве обратной решетки соответствуют о.д.р. цилиндрической формы. Количество цилиндрических штабов на всех узлах обрат­ ной решетки одинаковое, а направления их зависят от ориентировки

zoo

относительно матрицы пластинкообразных частиц выделяющейся фазы.

В сплавах типа Al~Cu, C u-Be, N.i-Be, в отличие от преды­ дущих, уже на самой ранней стадии старения образуются зоны ГП пластинчатой формы со структурой фазы выделения или близ­ кой к ней. Толщина пластинок всего 2-3 атомных расстояния, диаметр 50-100 Я. Наличие их в сплавах приводит к появлению

на рентгенограммах относительно протяженных диффузных ди­ фракционных эффектов (рис. 3). У сплавов типа Си—Be, Ni—Be, ' кроме указанных эффектов, на этой стадии старения наблюдаются также диффузные эффекты двумерной дифракции, которым в прост­ ранстве обратной решетки соответствуют о.д.р. в виде штабиков, как и у сплавов типа Al—Ag и Al—Zn. ] Однако в таком случае количество штабиков у разных узлов обратной решетки матрицы

i [ml

S

Ч

t \00t\

•t

Be и Ni—Be не являются эффектами формы, а обусловлены уп­ ругими искажениями окружающей матрицы. То же наблюдается