Научный руководитель: Демиденко Валерий Семенович, д.ф.- м.н.

Легкие p-элементы B, C, N, O являются добавками, существенно изменяющими свойства сплавов и соединений. Однако только бор, как правило, приводит к уникальным и кардинальным изменениям характеристик. Одним из неординарных свойств бора является то, что он служит активным аморфизатором. Яркий пример другого свойства бора - его пластифицирующее воздействие на интерметаллид Ni₃Al.

Уникальность бора проявилась и в ходе исследований электронной структуры соединений Fe, Co, Ni с p-элементами в структуре NaCl. Так, обнаружено, что вклад s-состояний бора в полную плотность электронных состояний ниже уровня Ферми при параметрах ГЦК-решетки близких к равновесным параметрам переходных металлов, элементов группы железа по сравнению с другими p-элементами пренебрежимо мал.

Рассмотрим следующие характеристики, позволяющие отразить особенности взаимодействия бора с элементами группы железа. Это, во-первых, разность чисел заполнения электронами s-состояний p-элемента и d-металла , а, во-вторых, разность энергетических центров масс p- и d-полос компонентов . Указанные характеристики отражают степень ионности связи, обусловленную переносом заряда. Третьей, не менее важной характеристикой, является изменение степени прочности p-d ковалентной связи f, которую можно оценить из соотношения:

, (1)

где V_pd - межатомный матричный элемент в приближении Харрисона, а - разность энергетических центров масс p и d парциальных состояний.

Значения и в зависимости от числа валентных электронов металлоида рассчитывались для интервала параметров решетки a соединений никеля в окрестности параметра а=3.61 Å, который является типичным для ряда практически важных сплавов и соединений, в том числе и Ni₃Al. Указанному интервалу присуще монотонное снижение от оксидов к боридам (см. рис. 1, б), что свидетельствует о снижении переноса электронов между состояниями металлоида и металла. Для величины боридов хорошо проявляется неординарность бора, для которого ее значения для параметра а=3.61 Å выше, чем для а=4.14 Å (см. рис. 1, а), в отличие от других металлоидов. То есть для боридов параметр а=3.61 Å характерен не снижением, как у других элементов, переноса заряда на изотропной s-s связи, а его ростом. Кроме того, для выбранного интервала значений параметра решетки заметно, что величина p-d взаимодействия бора, расположенного в октаэдрической позиции с никелевым окружением, велика по сравнению с почти одинаковыми и существенно более низкими значениями степени прочности p-d ковалентной связи f для других p-элементов (см. рис. 1, в).

Учитывая изложенные выше результаты, можно ожидать, что свойства других ГЦК-сплавов на основе железа, кобальта и особенно никеля, включающие бор, как примесь внедрения, будут отличаться от свойств соединений с углеродом, азотом и кислородом.

Указанные закономерности можно применить для анализа соединения Ni₃Al с бором, в котором, что очень важно с точки зрения обнаруженного эффекта, бор, как показано экспериментально, растворяется вплоть до 1 ат.%, не изменяя параметра решетки. Кроме того, в интерметаллиде бор вынужден располагаться в октопорах, поскольку находиться в тетраэдрических междоузлиях энергетически не выгодно [1]. Не может бор растворяться в Ni₃Al и по типу замещения, ибо это приводит к неустойчивости сверхструктуры L1₂ [2]. В этом случае ренормализация атома бора на объем октапоры Ni₃Al, меньший, чем равновесный для связи Ni-B, приводит в отличие от других элементов к резкому упрочнению матрицы. Действительно, в случае примеси бора достигается упрочнение s-s изотропной связи наряду с интенсивным увеличением p-d гибридизации. Причем и в этом случае ионность его p-d связи в ряду B, C, N, O минимальна. Остальные p-элементы внедрения в результате ренормализации на объем октапоры Ni₃Al, во-первых, не дают сравнимого прироста p-d гибридизации, а, во-вторых, обладают менее прочной s-s связью, либо реализующиеся s-s и p-d связи имеют большую, чем связь Ni-B, долю ионности, что, как известно, ведет к охрупчиванию материала. Возможно, именно повышение общего уровня сил межатомной связи атомами бора в их ближайшем окружении является причиной снижения хрупкости Ni₃Al.