ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..............................................................4
1 Диффузионные процессы е твердых телах при радиационном воздействии (обзор)..................................................9
1.1 Образование и диффузия неравновесных точечных дефектов при облучении пучками заряженных частиц.............................. 9
1.1.1 Ионизационные потери и потери на излучение при прохождении электронов через вещество............................10
1.1.2 Процессы смещения атомов при взаимодействии с высокоэнергетичными электронами..................................13
1.1.3 Влияние облучения на дефектную структуру кристалла.........16
1.1.4 Коэффициенты радиационно-стимулированной диффузии
точечных дефектов..........................................19
1.2 Сегрегация примеси в условиях облучения пучком электронов.......21
1.2.1 Сегрегация примеси на дефектах кристаллической решетки 21
1.2.2 Сегрегация примеси на поверхности образца..................24
1.3 Коэффициенты радиационно-стимулированной диффузии...............32
1.4 Структурно-фазовые изменения в материалах при облучении заряженными частицами............................................33
1.5 Применение пучков заряженных частиц для модификации поверхности материалов...........................................35
1.6 Перераспределение элементов в сплавах при облучении пучком электронов средних энергий.......................................38
1.6.1 Массоперенос в гомогенных системах при облучении пучком электронов ......................................................39
1.6.2 Массоперенос в гетерогенных системах при электронном облучении........................................................41
1.6.1 Экспериментальное изучение перераспределения компонентов
на границах зерен..........................................43
1.6.2 Экспериментальное изучение массопереноса в многофазных системах.........................................................45
2 Пространственное распределение температуры при облучении пучком электронов...................................................50
2.1 Профиль температурного поля в условиях облучения пучком электронов.......................................................50
2.1.1 Метод расчета пространственног о распределения температуры
в условиях облучения пучком электронов.....................50
2.1.2 Распределение температуры в материалах при облучении пучками электронов...............................................53
3 Концентрационные профили точечных дефектов в условиях облучения пучком электронов.........................................58
3.1 Концентрация точечных дефектов в условиях облучения.............58
з
3.2 Распределение вакансий по глубине образца........................63
4 Массоперенос в металлических системах на основе твердых растворов при облучении пучком электронов средних энергий............67
4.1 Кинетическая теория диффузии в бинарных системах в поле градиентов температуры и точечных дефектов.......................67
4.2 Численный метод решения кинетического уравнения диффузии. Принцип расщепления..............................................73
4.3 Пространственное распределение элементов в твердых растворах при облучении пучком электронов......................................76
4.3.1 Гомогеи пая система........................................77
4.3.2 Гетерогенная система.......................................84
4.3.3 Массоперенос в многокомпонентных системах..................95
4.4 Диффузия внутри зерен при облучении пучком электронов............98
4.4.1 Распределение вакансий в зерне прямоугольной формы.........99
5 Массоперенос в многофазных системах при облучении пучком электронов..........................................................106
5.1 Модель массопереноса в многофазных сплавах......................106
5.2 Образование и рост зародышей новой фазы при облучении пучками электронов......................................................112
5.3 Массоперенос малоразмерных примесей при облучении пучком электронов......................................................118
5.3.1 Кинетическое уравнение диффузии межузельных атомов 118
5.3.2 Расчеты концентрации малоразмерных примесей...............122
РЕЗУЛЬТА ТЫ РАБОТЫ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................125
ЛИТЕРАТУРА...........................................................128
ВВЕДЕНИЕ
4
Актуальность проблемы.
Во многих случаях повышение долговечности и надежности различных деталей и инструмента может быть достигнуто путем изменения химического состава и структуры поверхностного слоя. На современном этапе развития техники для модификации поверхности широко применяется радиационная обработка материалов, которая, как показывает большой экспериментальный опыт, прекрасно себя зарекомендовала.
Облучение поверхности высокоэнергетичными пучками электронов и ионов позволяег значительно повысить твердость, износостойкость, усталостную и коррозионную прочность конструкционных и инструментальных материалов, а в ряде случаев применять углеродистые стали вместо дорогостоящих легированных сталей.
Фундаментальные исследования фазовых превращений и процессов мас-сопереноса при облучении являются одним из основных этапов разработки радиационных технологий, кроме того, понимание процессов, происходящих в материалах в поле облучения, позволяет прогнозировать их эксплуатационный ресурс.
В последнее время для ученых и практиков, занимающихся проблемами физики твердого тела и радиационной физики, представляют интерес эффекты массопереноса и структурно-фазовых изменений в материалах под воздействием электронных пучков. Известны достоинства методов модификации приповерхностных слоев материалов электронными пучками, которые позволяют конкурировать в ряде случаев с традиционными методами (термическая диффузия, ионная имплантация, ионно-плазменное нанесение покрытий и др.).
Экспериментальные результаты показываю!, что при облучении пучком электронов (1-10 МэВ) можно получать покрытия или модифицировать готовые изделия на значительную глубину (до нескольких мм), при этом параметры электронного пучка легче контролировать и изменять, чем ионного,
5
таким образом, для обработки поверхностных слоев (более 1 мкм) наиболее приемлемым, а иногда и единственно возможным, является воздействие электронным пучком.
Облучение электронами с энергией 1-10 МэВ приводит к изменению дефектной структуры твердых тел. Образованные в результате воздействия пучков электронов точечные дефекты стимулируют процессы массопереноса компонентов сплава, которые приводят к перераспределению элементов и возникновению неравновесных фаз.
Одним из основных процессов, который приводит к модификации поверхностных свойств материала при данном виде радиационной обработки, является процесс массопереноса компонентов сплава. Распределение элементов, возникающее в материале в ходе облучения, может существенно отличаться от равновесного распределения в обычных условиях.
Важную роль в фундаментальных и прикладных задачах взаимодействия электронов с веществом играет математическое моделирование процессов радиационно-стимулированной диффузии. Обзор экспериментальных и теоретических данных показывает, что радиационно-стимулированная диффузия в сплавах экспериментально изучена довольно подробно, но удовлетворительного математического описания не существует, поэтому в данном направлении в настоящее время работаег большое количество исследователей.
Целыо настоящей работы является установление закономерностей массопереноса элементов в сплавах при облучении пучками электронов для определения оптимальных режимов радиационной обработки.
Научная новизна заключается в том, что в работе впервые:
1. Разработаны модели, описывающие изменение концентрации точечных дефектов в процессе облучения пучками электронов с энергией 1-ЮМэВ в металлических материалах. Модели учитывают генерацию точечных дефектов облучением, их аннигиляцию между собой, и исчезновение точечных дефектов на каждом виде стоков.
2. Предложены кинетические модели процессов массопереноса в поле облучения электронами, которые позволяют учитывать высокие градиенты
6
температуры и точечных дефектов, диффузию атомов по вакансионному и межузельному механизму. На основе разработанных кинетических моделей количественно определен вклад отдельных механизмов диффузии в общий поток компонентов сплава в условиях облучения пучком электронов с энергией 1-10 МэВ, плотностью тока до 1,2 А/м2 и выявлены зависимости потока компонентов от параметров и условий облучения.
3. Создана кинетическая модель массопереноса внутри зерна, которая учитывает влияние границ зерен и поверхности образца на распределение концентрации точечных дефектов внутри зерна. Распределение точечных дефектов позволяет провести расчеты потоков компонентов сплава внутри зерна.
4. Разработана модель массопереноса в многофазных системах при облучении пучками электронов, учитывающая наличие фазовой границы, перестройку кристаллической решетки при фазовом превращении и различные коэффициенты диффузии в каждой фазе.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные модели и результаты расчетов позволяют глубже понять процессы радиационно-стимулированной диффузии в конденсированных средах. Созданные алгоритмы и комплекс программ могут быть применены в дальнейшем для численных расчетов концентрации примеси после облучения пучками электронов, что позволяет предсказывать свойства сплавов после облучения и существенно уменьшает количество экспериментов, необходимых для создания новых технологий финишной обработки сталей и сплавов.
Данные, полученные в работе по применению радиационной обработки, позволяют:
-применять электронные пучки для очистки материалов от примесей, создавая в материале градиенты температуры и точечных дефектов; -увеличивать коррозионную стойкость поверхности;
-проводить легирование поверхностных слоев, обеспечивая хорошую адгезию между покрытием и подложкой;
-увеличивать износостойкость и твердость поверхностных слоев инст-
7
рументальных сталей.
Достоверность полученных результатов достигается:
- корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью;
- использованием современных методов исследования;
- хорошим согласием расчетных и экспериментальных результатов, а также их соответствием современным представлениям физики твердого тела и радиационной физики.
Основные защищаемые положения:
1. Кинетическая модель, описывающая концентрацию точечных дефектов при облучении электронами. В результате расчетов по модели показано, что в течение облучения концентрация точечных дефектов в образце увеличивается до некоторого динамически равновесного распределения. Время достижения динамического равновесия составляет 7ч-12мин. Максимальная концентрация точечных дефектов 10'4-г10'3 ат. д. Величина градиента концентрации вакансий у поверхности достигает 1 ат.д./м.
2. Кинетическая модель диффузии в бинарных и многокомпонентных системах в поле облучения электронами. Расчетами по модели показано, что основными механизмами неравновесного перераспределения примеси при облучении пучками электронов, являются конкурирующие процессы термодиффузии и диффузии по неравновесным вакансиям. Скорость диффузии по неравновесным вакансиям больше скорости термодиффузии в 10-г 100 раз.
3. Кинетическая модель диффузии внутри зерна. В результате облучения материала происходит перераспределение примеси по объему зерен. Компоненты сплава с большим коэффициентом диффузии перемещается в центральные области зерна. Значительное уменьшение концентрации компонентов с большим коэффициентом диффузии наблюдается на границах зерна, которые расположены в поперечном направлении по отношению к поверхности.
4. Модель массопереноса в многофазных системах при облучении элек-
8
тронами. В многофазных системах с низкой растворимостью элементов друг в друге возможно протекание процессов массопсреноса с сохранением фазовых границ, те. слой элемента, нанесенный на поверхность, заменяется слоем, расположенным между покрытием и матрицей, при этом заметного перемешивания слоев не происходит. Этот процесс свойственен системам, содержащим железо, никель и хром.
Личный вклад автора состоит в выборе основных направлений исследований, разработке физических моделей, проведении расчетов, сравнении экспериментальных и расчетных данных, обсуждении и обобщении результатов, формулировки выводов.
Апробация работы. Результаты докладывались на:
Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах», (Барнаул, 1998); 2-ой международной конференции «Ядерная и радиационная физика», (Алматы, 1999); third international conference MPLS, (Sumy, 1999); международном семинаре «Технологии ядерной энергетики», (Астана, 2000); IX, X, XI межнациональных совещаниях «Радиационная физика твердого тела», (Севастополь, 1999, 2000, 2001); международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах», (Барнаул, 2000); 2-ой международной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах», (Томск, 2000); 3-ей международной конференции «Ядерная и радиационная физика», (Алматы, 2001); China-Russia Seminar on Nonequilibrium Phase Transition under Ultra-Conditions, (Yanshan University, China, 2001); 2-ой международной конференции «Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование», (Алматы, 2001).
Публикации. Материалы диссертационной работы изложены в 36 работах из них 9 статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и заключения, изложенных на 136 стр. текста и включает 71 рисунок, 5 таблиц, 129 библиографических наименований.
9
1 Диффузионные процессы в твердых телах при радиационном
воздействии (обзор)
При облучении сплавов возможно протекание процессов радиационно-стимулированной диффузии, которая приводит к неравновесному перераспределению элементов, структурно фазовым превращениям и т.п.
В случае реакторных конструкционных материалов, работающих в условиях облучения, эффекты радиационно-стимулированной диффузии могут привести к значительным изменениям в структуре материала. Массоперенос растворенных атомов во многих случаях приводит к появлению новых, неравновесных в обычных условиях фаз и другим подобным эффектам, что влечет за собой изменение эксплуатационных свойств материалов. Понимание процессов, происходящих в условиях облучения, необходимо для разработки новых конструкционных материалов, свойства которых менялись бы незначительно в условиях облучения.
Возрастающий интерес к явлению радиационно-стимулированной диффузии атомов в сплавах также определяется во многом практическими задачами по созданию новых технологий финишной обработки материалов ионными и электронными пучками [1,2], что невозможно без понимания фундаментальных процессов протекающих при ионной имплантации, облучении пучками ионов, электронов и т.п.
1.1 Образование и диффузия неравновесных точечных дефектов при облучении пучками заряженных частиц
Проходя сквозь мишень, заряженные частицы высокой энергии (первичные, выведенные из ускорителя, или вторичные) взаимодействуют с ионами кристаллический решетки металла и с газом свободных электронов. Энергия, поглощенная ионами и электронами, вызывает радиационные смещения ионов решетки - пары Френкеля и электронные возбуждения. Последние ре-лаксируют, отдавая свою избыточную энергию ионам решетки, увеличивая
10
амплитуду их колебаний [3]. В результате распада электронных возбуждений также возможно образование точечных дефектов [4].
1.1.1 Ионизационные потери и потери на излучение при прохождении электронов через вещество
Когда электроны определенной энергии проходят через слой вещества, их энергия уменьшается, а энергетический спектр размывается и становится не-симмегричным. Следовательно, точно определить потери энергии невозможно, рассчитываются лишь средние потери энергии (Д£).
Для относительно малых начальных энергий электрона средняя энергия, затраченная на ионизацию и возбуждение элекфонной подсистемы на 1 см пути, определяется выражением [5]:
с1Е 4л^4ЛГ02 1,16т Vі ..
=----------—ІП = , (1.1)
СІХ то2 21
где Nо - концентрация атомов в решетке, г - атомный номер,
I - потенциал взаимодействия, значения которого представлены в таблице 1.
Таблица 1
Потенциал взаимодействия / для расчета поглощенной дозы
1л Ве А1 Ре Си ^8 Бп W РЬ
/, Эв 34 60,4 150 24,1 279 422 472 680 737
1/7 11,3 15,1 11,5 9,4 9,6 9,0 9,4 9,2 9,0
В релятивистской области
_ ^ = 0,153 р2-р-А ,п + (, _
с/х ' а' | 21 тс ' н '
2(1 -1 + /?4п2 +1(1 --Ат
(1.2)
и
где Р - плотность,
/?- отношение скорости электрона к скорости света.
А - атомная масса.
При замедлении электронов в кулоновском поле ядер возникает тормозное излучение. Средняя энергия на 1 см пути составляет
Энергетические потери на излучение и столкновения становятся равными при Екр «1600///с2 /2 [6].
Решение задачи переноса электронов через слоистые поглотители в настоящее время осуществляется методом Монте-Карло или многошаговым методом. Многошаговый метод более рационален [7]. Метод основан на решении интегрально-кинетического уравнения переноса с использованием разложения функций распределения плотности частиц в ряды Фурье-Лежандра. Многошаговый метод позволяет учесть статистический характер не только акгов рассеяния частиц на атомах вещества, но и актов передачи энергии в электронную подсистему вещества. При этом число переменных фазового объема не изменяется и, следовательно, не увеличивается объем вычислений. Реальные траектории в координатах пробег-энергия различных частиц, вследствие статистического характера процесса блуждания, отличаются друг от друга. Однако, при торможении частиц не слишком высокой энергии потери энергии на ионизацию в индивидуальных столкновениях происхо;щт преимущественно малыми порциями. Поэтому траектории близки друг к другу и мало отличаются от некоторой средней, которая соответствует непрерывному среднему замедлению. Эта модель позволяет делать шаги по энергии, а флуктуации в потерях энергии могут быть выражены через флук туации в пробегах на каждом шаге [8].
(1.3)
Потери энергии увеличиваются с ростом атомного номера:
(ЛЕ/ск)ит _ (/;' + тс2)г О(1Е!(1х)сттт 1600»гс2
(1.4)
- Київ+380960830922