Слабоустойчивые длиннопериодические структуры в металлических системах

СЛАБОУСТОЙЧИВЫЕ 
ДЛИННОПЕРИОДИЧЕСКИЕ 
СТРУКТУРЫ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ 
СИСТЕМАХ 

Монография 

4-е издание, стереотипное

Москва 
Издательство «ФЛИНТА» 
2021 

УДК 538.91 
ББК 22.379

Р е ц е н з е н т ы :  Э.В. Козлов – доктор физико-математических наук, про
фессор, зав. кафедрой физики Томского государственного
архитектурно-строительного университета; 
Ю.Р. Колобов – доктор физико-математических наук, профессор Белгородского государственного университета 

С 47 
Слабоустойчивые длиннопериодические структуры в 
металлических 
системах 
[Электронный 
ресурс] 
: 
монография / Потекаев А.И., Дмитриев С.В., Кулагина В.В., 
Наумов И.И., Великохатный О.И., Еремеев С.В.; под общ. 
ред. А.И. Потекаева. – 4-е изд., стеротип. – М. : ФЛИНТА, 
2021. – 308 с. 

ISBN 978-5-9765-1215-3 

В книге на основе оригинальной физической концепции представлены различ
ные аспекты природы слабоустойчивых длиннопериодических состояний конденсированных систем. В настоящее время интенсивно изучаются полупроводниковые и
металлические наноструктурные материалы, что связано с их особыми свойствами и
перспективами использования первых в качестве базовых материалов для наноэлектроники, а вторых – специальных функциональных и конструкционных материалов. 
В подавляющем большинстве случаев наноструктурное состояние достигается особыми технологическими приемами, а физическая картина устойчивости, поведения, 
свойств и структуры таких материалов остается часто неясной. Именно фундаментальным физическим аспектам устойчивости, структуры наноматериалов посвящена
данная книга.  

Для широкого круга специалистов – научных сотрудников и инженеров, рабо
тающих в области материаловедения и физики конденсированных систем (металлов
и сплавов, полупроводников), а также преподавателей, аспирантов и студентов, специализирующихся в области материаловедения. 

ISBN 978-5-9765-1215-3 
© А.И. Потекаев, 2016 
© Издательство «ФЛИНТА», 2016

С 47 

УДК 538.91 
ББК 22.379

Предисловие 
3 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В настоящее время уровень научно-технического развития миро
вого сообщества требует от материаловедческих наук создания принципиально новых материалов с уникальными свойствами. Известно, 
что физические и механические характеристики конденсированных 
сред в немалой степени определяются их структурой. Использование 
экспериментальных и полуэмпирических подходов открыло в свое 
время большие возможности для поиска новых металлических и полупроводниковых материалов, обладающих разнообразными служебными характеристиками, однако ужесточение требований практики к используемым материалам вызывает необходимость целенаправленного 
поиска систем с особыми физическими и механическими свойствами. 
Простой перебор составляющих компонентов и технологических методов объективно исчерпал себя, а полуэмпирические представления 
классического материаловедения прогрессивно теряют свои прогнозирующие возможности с ростом числа компонентов в системе и ужесточением требований условий эксплуатации и функционирования. 
Таким образом, существовавшие до настоящего времени концептуальные представления о природе материалов и методах конструирования их свойств, прогнозирования поведения в экстремальных условиях исчерпали, практически, свои возможности.  

В этой связи возникает настоятельная необходимость создания эффек
тивных методов прогноза структуры и свойств конденсированных систем, 
основанных на новых физических представлениях и подходах. 

Особое значение имеют две новейшие проблемы физики конден
сированного состояния систем. Прежде всего, это физика образования 
и поведения систем с широким спектром состояний металлов, сплавов, 
полупроводников, все состояния которых находятся в окрестности 
границы стабильности. Общей особенностью рассматриваемых систем 
является их слабая устойчивость по отношению к воздействиям. Другая важная проблема заключается в необычной структуре и необычном 
поведении наносистем, т.е. систем с элементами наномасштаба. Со

Предисловие 

гласно терминологии международного журнала “Nanostructures Materials”, к наноструктурным материалам относят кристаллические материалы со средним размером зерен или других структурных единиц 
менее 100 нм. В чистых металлах и ряде сплавов интенсивные деформации часто обеспечивают формирование ультрамелкозернистых 
структур с размером зерен 100–200 нм. Однако сформировавшиеся 
зерна имеют специфическую субструктуру, связанную с присутствием 
решеточных и зернограничных дислокаций и дисклинаций, с наличием 
больших упругих искажений кристаллической решетки. По указанным 
причинам области когерентного рассеяния обычно составляют менее 
100 нм, что и определяет формирование наноструктурных состояний в 
таких материалах. Хорошо известно и следующее. Если диапазон 1.0– 
0.1 мкм представляет собой сложный технологический барьер, поскольку требует смены технологического оборудования, то уже диапазон 0.1–0.05 мкм – это фундаментальный физический барьер, за которым резко меняются все физические свойства твердого тела. Наглядные образы и привычные представления и модели теряют свою силу. 

Обе указанные выше проблемы входят сегодня в ряд наиболее акту
альных и значимых в физике конденсированных систем. 

В данной книге под слабоустойчивым (или предпереходным) 

состоянием системы понимается такое ее состояние вблизи 
структурно-фазового превращения, в котором наблюдаются аномалии структуры или свойств. Естественно, что традиционно понимаемые структурные дефекты в этих специфических условиях становятся 
уже неотъемлемыми элементами структуры, взаимодействуют друг с 
другом, причем это взаимодействие оказывает существенное влияние 
на структуру и свойства самой конденсированной системы. Следует особо отметить, что в обоих случаях плотность структурных дефектов (дефектов в традиционном понимании) очень велика, поэтому их нельзя уже 
рассматривать как изолированные, необходимо исследовать уже систему взаимодействующих дефектов в условиях слабоустойчивого состояния материала. Само по себе это представляет далеко нетривиальную 
задачу, особенно при учете того факта, что важную роль начинают играть не только концентрация дефектов, но и их симметрия, характер 
взаимодействия, плоскость залегания, вид и величина внешнего воздействия и многое другое. На фоне слабоустойчивого к внешним усло

 
Предисловие 
5 

виям состояния конденсированной системы роль взаимодействия структурных дефектов приобретает особо важное, а часто и определяющее 
для структуры, значение. 

Наиболее интенсивно изучаются в настоящее время полупроводни
ковые и металлические наноструктурные материалы, причем в подавляющем большинстве случаев наноструктурное состояние материалов 
достигается особыми технологическими приемами, а физическая картина поведения, свойств и структуры таких материалов остается часто неясной. 
Именно фундаментальным, прежде всего, физическим аспектам образования, поведения, особенностям структуры и свойств слабоустойчивого к внешним условиям состояния конденсированной системы 
перспективных материалов посвящена данная книга. 
 
Ответственный редактор                                            А.И. Потекаев  
 

Введение 

 

ВВЕДЕНИЕ 

В настоящее время наиболее интенсивно изучаются полупроводниковые и металлические наноструктурные материалы, причем в подавляющем большинстве случаев наноструктурное состояние материалов достигается особыми технологическими приемами, а физическая картина поведения, свойств и структуры таких материалов остается часто неясной. Большой интерес вызывают в настоящее время 
конденсированные системы с периодическими структурными неоднородностями наномасштаба. Это, прежде всего, полупроводниковые 
системы, которые могут явиться в перспективе основой принципиально нового уровня электроники – наноэлектроники, что повлечет за 
собой новый уровень технологий и возможностей управления и обработки информации. Другие важные системы – металлические и 
сплавы на их основе, которые в наноструктурном состоянии имеют 
уникальные свойства как конструкционные или функциональные материалы. Как полупроводниковые, так и металлические системы с 
наноструктурой создаются в наше время по преимуществу за счет 
технологических тонкостей. 
Полученные искусственным путем материалы с наноструктурой 
очень часто обладают слабой устойчивостью к внешним воздействиям. Так, например, металлические сплавы этого типа, полученные 
методом равноканального углового прессования, обладают низкой 
термической стабильностью. К сожалению, в настоящее время методов управления структурой таких материалов не существует из-за 
отсутствия знаний о фундаментальных физических закономерностях 
их образования и поведения. 
Удобным объектом исследований являются длиннопериодические металлические сплавы со спектром слабоустойчивых состояний 
вблизи фазового превращения. Прежде всего это обусловлено тем, 
что они достаточно давно изучаются и накоплен большой экспериментальный материал с соответствующим анализом и обобщением. 
Особый интерес с точки зрения выбора объекта исследования представляю те металлы и сплавы, которые имеют наноразмерный длин

 
Введение 
7 

ный период, структура которых слабоустойчива к внешним воздействиям (температуре, нагрузке, изменению состава, легированию и т.п.) 
и у которых имеется спектр слабоустойчивых структурных состояний 
вблизи границы потери устойчивости, причем эти состояния либо 
равновесны, либо близки к равновесию. 
Этим требованиям отвечают, в частности, упорядоченные сплавы 
с длиннопериодической структурой, на основе которых выполнена 
основная доля приведенных исследований. Примечательно, что среди 
длиннопериодических сплавов (ДПС) существуют, по крайней мере, 
две группы сплавов, которые отличаются не только по структуре и 
поведению, но, видимо, и по своей физической природе. В первой 
(ДПС релаксационного типа), например, антифазная граница (АФГ) 
квазиплоская, размыта в пространстве на 2–3 атомные плоскости, в 
то время, как во второй (ДПС квазихимического типа) – АФГ строго 
плоская. Такое оригинальное разделение соответствует, видимо, разделению материалов в области свойств на  функциональные и конструкционные. 
Естественно, что малая разница энергий различных структурных 
состояний ДПС вблизи границы потери устойчивости определяется 
электронной структурной конденсированной системы. Анализ обнаруживает предрасположенность длиннопериодических упорядоченных сплавов к периодическому выстраиванию антифазных границ, 
причем предрасположенность к появлению длинного периода оказывается характерна не только для определенного класса упорядоченных сплавов, но и сплавов, претерпевающих слабовыраженные мартенситные превращения. 
Показано, что длиннопериодическое состояние является слабоустойчивым состоянием системы. Внешнее воздействие вызывает не 
только структурно-фазовое превращение, но и определяет канал этого превращения. При этом для реализации длиннопериодического 
состояния квазихимического типа решающую роль играет конкурирующее взаимодействие в разных координационных сферах, причем 
в этих системах существенную роль играет дальнодействие. В системах с 
длиннопериодическими состояниями релаксационного типа энергетическая выгодность ДПС по сравнению с исходной короткопериодической сверхструктурой обеспечивается уже при Т = 0 К релакса

Введение 

ционными эффектами в форме модуляции решетки. Структура областей атомных смещений вблизи периодических АФГ не отличается от 
соответствующих областей одиночных антифазных границ. 
Важно отметить, что механизм стабилизации слабоустойчивых 
состояний исходит из возрастающей роли взаимодействия структурных дефектов в этом слабоустойчивом состоянии системы. В ДПС 
релаксационного типа определяюшую роль приобретает упругое 
дальнодействие, т.е. появление взаимодействия между планарными 
дефектами (в упорядоченных сплавах – АФГ) в силу исчезновения 
центра инверсии в элементарной ячейке ДПС. В этом случае структура и свойства сплава существенно зависят от температуры, давления и т.п. 
Существующая предрасположенность к периодическому выстраиванию взаимодействующих низкоэнергетических дефектов в 
сплавах, претерпевающих слабовыраженные мартенситные превращения, приводит к тому, что и сами дефекты влияют на превращения. 
Важно, что в качестве таких дефектов могут выступать, оказывается, 
точечные дефекты и их комплексы, дефекты упаковки и т.п. 
Анализ слабоустойчивых ромбоэдрических сверхструктур с утроенным периодом в ОЦК-системах сплавов привел к заключению о 
существовании большого количества слабоустойчивых сверхструктур типа Ванга (с утроенным периодом вдоль кубических осей В2решетки структуры и понижением симметрии до ромбоэдрической), 
что свойственно, по-видимому, вообще нелифшицевским структурам. В предпереходной области слабоустойчивых ромбоэдрических 
сверхструктур с утроенным периодом в ОЦК-системах сплавов реализуется термодинамически слабоустойчивое состояние системы, в 
котором переходы из одного структурно-фазового состояния в другое 
могут происходить при небольшом термомеханическом воздействии 
(температура, нагрузка, состав, локальные напряжения и т.д.). Так 
как  такие структурно-фазовые переходы второго или близкие ко 
второму роду, то само воздействие может быть и достаточно малым. 
На диаграмме состояний температура – состав целый набор структурно-фазовых состояний может реализоваться в одной и той же области диаграммы. Это свидетельствует о том, что эти структурно 
различные состояния либо очень близки в термодинамическом смыс

 
Введение 
9 

ле, либо вообще не различаются. Их различие лежит в области симметрии, а в термодинамическом смысле наблюдается их слабая устойчивость относительно превращения одного в другое. 
В классических сплавах со слабоустойчивыми длиннопериодическими состояниями вблизи  границы потери устойчивости наблюдаются в этой области, как правило, аномалии структуры или свойств. 
Например, в длиннопериодических структурах наблюдается периодическое чередование антифазных границ – низкоэнергетических 
планарных дефектов структуры, причем в ДПС релаксационного типа фазовый переход в длиннопериодическое состояние связывается с 
взаимодействием антифазных границ. В данной книге рассматривается в предпереходной (слабоустойчивой) области роль точечных 
дефектов и их комплексов, дефектов упаковки и их влияние на мартенситное превращение (переход в “длиннопериодическую” структуру релаксационного типа) в металлических системах, находящихся 
вблизи границы своей стабильности. Аномалии физических свойств 
(низкие модули упругости) как раз и свидетельствуют о наличии этой 
области слабоустойчивых состояний системы. Естественно, что рассматривается взаимодействие низкоэнергетических точечных и пленарных дефектов и их комплексов. 
В результате проводимых исследований впервые установлена 
принципиальная возможность реализации слабоустойчивого динамического длиннопериодического или квазипериодического долгоживущего наноструктурного состояния на решеточной структуре. Разработана концепция слабоустойчивых динамических наноструктурных состояний систем. Важно, что реализующиеся слабоустойчивые динамические наноструктуры по своей природе и характеристикам принципиально отличаются от рассматривавшихся ранее слабоустойчивых статических  длиннопериодических наноструктур, образуемых длиннопериодическим или квазипериодическим выстраиванием статических 
дефектов кристаллической структуры (антифазные границы, дефекты 
упаковки, вакансии и т.п.). Реализующиеся слабоустойчивые динамические наноструктуры возникают по механизму модуляционной неустойчивости коротковолновых колебательных мод.  
Таким образом, изложена попытка взглянуть с новой физической 
точки зрения (основанной на представлениях о реализации слабоус

Введение 

тойчивых состояний в физической системе  вблизи структурнофазового превращения, влиянии взаимодействия структурных дефектов на термодинамику фазовых превращений и структурное состояние системы) на довольно широкую совокупность различных типов 
сплавов с периодическими дефектами структуры (упорядоченные 
сплавы с ДПС, ОЦК-сплавы со слабовыраженными мартенситными 
превращениями и предпереходными состояниями, ромбоэдрические 
сверхструктуры с утроенным периодом в слабоустойчивых системах 
и т.п.). 
Приведенные исследования позволяют сделать заключение, что в 
слабоустойчивых конденсированных системах, имеющих спектр 
структурных состояний вблизи границы потери устойчивости, взаимодействие низкоэнергетических дефектов структуры может оказать 
существенное влияние на фазовые превращения. При этом взаимодействующие дефекты структуры имеют тенденцию выстраиваться 
периодически или квазипериодически. Оказывается, что это характерно для широкого спектра разнотипных систем (упорядоченных 
сплавов с периодическими дефектами структуры, металлических 
ОЦК-систем с предпереходными состояниями, материалов с политипной структурой и т.д.). В качестве низкоэнергетических периодических структурных дефектов (в традиционном понимании) могут 
выступать как статические структурные дефекты (точечные дефекты 
и их комплексы, пленарные и квазипланарные дефекты: АФГ, ДУ и, 
возможно, другие), так и динамические. 
На основе общности изложенного можно полагать, что установленные закономерности имеют общефизический характер и справедливы для различных физических, и прежде всего конденсированных, 
систем.