Механизм глубинного упрочнения металлов и сплавов под воздействием мощных импульсных пучков ионов

Кылышканов, Манарбек Калымович

Механизм глубинного упрочнения металлов и сплавов под воздействием мощных импульсных пучков ионов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Кылышканов, Манарбек Калымович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Усть-Каменогорск МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Механизм глубинного упрочнения металлов и сплавов под воздействием мощных импульсных пучков ионов»

Автореферат диссертации на тему "Механизм глубинного упрочнения металлов и сплавов под воздействием мощных импульсных пучков ионов"

На правах рукописи УДК 539.121.8.04

Кылышканов Манарбек Калымович

МЕХАНИЗМ ГЛУБИННОГО УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ПУЧКОВ ИОНОВ

Специальность 01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Барнаул 1998

Работа выполнена в Восточно-Казахстанском государственном университете

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Плотников С.В.

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Валяев А.Н.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Семкин Б.В. кандидат физико-математических наук, профессор Голубь П.Д.

Ведущая организация: Томский политехнический университет

Защита состоится "°19 " Ох>гп 1998 года в /¿Г ч. ОО мин.

на заседании Специализированного Совета Д 064.29.02 при Алтайском государственном техническом университете по адресу: 656099 г. Барнаул, пр. Ленина, 46

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета.

Автореферат разослан "/Р ° с? о ъ^сГс^ 1998 г.

Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью организаций, просим присылать в 2-х экземплярах на адрес АптГТУ.

Ученый секретарь Совета:

кандидат физико-математических наук, профессор Жданов А.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Появление лазеров, а затем ускорителей сильноточных электронных и мощных импульсных ионных пучков создало уникальную возможность получения новых видов воздействий концентрированных потоков энергии на материалы. В отличии от традиционных способов (ударно-волновое нагружение или закалка и отжиг сталей) они сочетают одновременно механическое, тепловое и радиационное воздействия. Это дало возможность создавать в макрообъемах такие высокие плотности возбуждений в электронной и атомной подсистемах твердых тел, которые ранее были достижимы только в микрообластях - треках тяжелых заряженных частиц и каналах электрического пробоя. Обнаружен ряд новых уникальных эффектов, таких как конденсация экситонов в полупроводниках, хрупкое разрушение всех классов твердых тел при воздействии сильноточных электронных пучков, аномальное глубинное упрочнение металлов, облученных мощными импульсными пучками ионов. Это положило начало развитию новых фундаментальных направлений в физике высоких плотностей энергии.

Возникли новые задачи и в радиационном материаловедении. Существующие химико-термические.методы обработки не отвечали решению новых задач и практически исчерпали свои возможности. Это явилось стимулом в эффективном использовании новых видов концентрированных потоков энергии.

Основой любой модификации свойств материалов является создание определенных структурно-фазовых превращений, вызванных специальными видами их обработки. Главные факторы, определяющие характер, взаимодействия концентрированных потоков энергии с веществом, следующие: интенсивность облучения; полная введенная энергия и ее плотность (флюенс); вид частиц и их энергия; условия облучения; физико-химические свойства материала. Широко известные методы лазерной обработки и ионной имплантации,достаточно полно представлены в литературе. В данной работе основное внимание уделено сравнительно новым и, как. уже теперь установлено, успешным методам модификации при облучении мощными импульсными ионными и сильноточными электронными пучками.

Уникальность воздействия импульсных ионных пучков на твердые материалы в обычно применяемых режимах обработки заключается в том, что малые пробеги ионов (0.1-10 мкм), большие флюенсы (1-100 Дж/см2/имп.) при коротких длительностях одиночных импульсов (<1 мкс) обеспечивают высокие значения потока мощности облучения 107-Ю10 Вт/см2, которые при токах в импульсе 5-50 кА и энергиях иоиов 0.1-2 МэВ создают идеальные условия для сверхбыстрого (1010-10и К/с) нафева в об-, ласти поглощения излучения при минимальном теплоотводе. Такой нагрев сопровож-

дается очень интенсивными процессами плавления, испарения и выброса (абляции) материала со стороны облучаемой поверхности, который наблюдается при облучении образцов импульсами лазера. Испаренный материал может формировать специальные покрытия на подложках, а расплав кристалла при быстром остывании (!0Ч- Ю10 КУс) способен создавать аморфные поверхностные слои, различные неравновесные микроструктуры н нерастворимые при обычных условиях твердые растворы, запрещенные диаграммами состояний.

Прогресс в применении мощных импульсных ионных пучков по сравнению с импульсным лазерным излучением в том, что они способны поставлять большую энергию 0.1-70 кДж за импульс при значительно более высоком КПД использования энергии (т.е. отношения вводимой пучком энергии в мишень, к полной энергии, необходимой для генерации пучка), составляющими 15-40 % (для лазера <1%). Поэтому ускорители ионов более компактны и имеют меньшую стоимость, что обеспечивает преимущества их коммерческого использования. Другим существенным достоинством ионных пучков является возможность выбора вида ионов и их энергии, что вместе с соответствующим изменением фтоенса позволяет варьировать глубину проплавленного или испаренного слоя. Кроме этого, как показано в работе, мощные импульсные пучки ионов в отличии от импульсных лазерных и электронных более эффективны в формировании пространственных глубинньк упрочненных слоев в металлах, что существенно улучшает их механические свойства.

Целью работы является комплексное исследование механизма глубинного упрочнения в металлах и сплавах при облучении мощными импульсными пучками ионов, расчет параметров ударной волны, генерируемой облучением, разработка физической модели этого процесса.

Научная новизна работы представлена:

1. Исследованием процессов формирования глубинных упрочненных слоев в' металлах под воздействием мощных импульсных пучков ионов с использованием уникальных ядерно-физических методов: пучка медленных позитронов (0.2-30 кэВ); измерения кривых углового распределения аннигиляционных фотонов; исследования остаточных деформационных-состояний методом ядер отдачи; определение твердости наноиндентором.

2. Расчетом параметров ударной волны, генерируемой в металлах мощными импульсными ионными пучками

3. Кинетической моделью процессов интенсивного дефектообразования в поле ударной волны, генерируемой импульсными ионными пучками.

Научная ценность состоит в использовании полученных результатов в физике высоких плотностей энергии, плазмы, твердого тела и в физике металлов при сверхплотном возбуждении электронной и атомной подсистем, а также в радиационном материаловедении.

Практическая ценность работы состоит:

1. В разработке нового способа обработки металлов мощными импульсными ионными пучками, формирующего глубинные упрочненные слои и улучшающего их механические свойства.

2. В разработке технологии обработки режущего инструмента и определении ее оптимальных режимов.

Достоверность полученных результатов достигается:

• корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью;

•использованием современных ядерно-физических методов анализа, строгим обоснованием выбора оптимизируемых параметров и экспериментальных методик определения механических и триботехнических свойств;

•большим объемом экспериментальных данных и их статистической обеспеченностью;

•хорошим согласием расчетных и экспериментальных характеристик, сопоставлением результатов полученных разными методами, их сравнением с результатами других авторов, а также их соответствием современным представлениям физики твердого тела и радиационной физики.

Основные защищаемые положения:

1. Формирование глубинных упрочненных слоев в металлах и сплавах при воздействии мощных импульсных пучков ионов является нелинейным механическим эффектом, который происходит при интенсивностях и флюенсах пучка превышающих некоторые критические значения, зависящие от свойств материала.

2. Образование глубинных упрочненных слоев при облучении импульсными ионными пучками обусловлено генерированием ударной волны в материалах и интенсивным дефектообразованием в области формирования фронта ударной волны.

3. Численный метод моделирования процесса распространения ударной волны дает возможность рассчитать ее основные характеристики.

4. Кинетическая модель дефектообразования в поле ударной волны формирует основу нового метода расчета распределений микротвердости по глубине мишени при различных параметрах облучения мощными импульсными пучками ионов.

Личный вклад автора состоит в реализации основных направлений исследований, планировании эксперимента, разработке его методик и проведении совместно с коллегами экспериментальных исследований, их анализа, теоретического описания, обсуждения и обобщения результатов, формулировке выводов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: 1) Международной Конференции по Поверхностной Модификации Металлов Ионными Пучками (SMMIB-10, Гатлинбург, Теннесси, США, 1997); 2) 12-ой Международной Конференции по Мощным Пучкам (BEAM'S-98, Хаита, Израиль, 1998); 3) 3-ей Международной Школе-Семинаре "Эволюция дефекгаых структур в конденсированных средах" (Барнаул, 1996); 4) Международной Конференции "Ядерная и Радиационная Физика" (Алматы-1997); 5) На семинаре Аэрокосмического Технологического Центра "Allied Signal" (г. Морристоун, Нью-Джерси, США, 1997); 6) 4-ой Казахстанской Конференции с Международным участием по Физике твердого тела (г. Караганда, Казахстан, 1997); 7) 11-ой Международной Конференции по Модификации свойств Материалов Ионными Пучками (IBMM-98, Амстердам, Голландия, 1998).

Публикации. Содержание диссертации изложено в 17 работах, включая 7 опубликованных за рубежом.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 118 стр. текста, 34 рис. и 8 таблиц, включая 90 библиографических наименований.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность цель и задачи работы, их научная новизна и практическая ценность, сформулированы основные защищаемые положения.

В первой главе. на основе анализа литературных данных изложено современное состояние проблемы. Рассмотрены особенности прохождения интенсивных пучков заряженных частиц через вещество обусловленные: 1) перекрыванием треков частиц и сверхплотными возбуждениями электронной и ядерной подсистем; 2) образованием пучково-плазменных неустойчивостей; 3) сверхбыстрыми скоростями нагрева (108-10" К/с) и охлаждения (108-Ю10 К/с) в сочетании с высокими пространственными градиентами температур (106-107 К/см), приводящими к потери устойчивости кристаллов и генерации упругих и ударных волн. Представленное воздействие таких волн на металлы включало микро- и макроструктурные превращения. Ударные волны, создаваемые при облучении мощными импульсными пучками ионов, близки по

своим параметрам к лазерным ударным волнам. Воздействие лазерной ударной волны на твердые тела имеет ряд важных особенностей, включающих их избирательное дей-. ствие на примесные атомы и интенсивное дефектообразование в области формирования фронта ударной волны. Как показано в работе, эти особенности проявляются при облучении мощными импульсными пучками ионов.

Приведены результаты исследований структурно-фазовых превращений в металлах и сплавах, созданных мощными импульсными ионными пучками. Рассмотрено влияние радиационных модификаций на их механические и триботехнические свойства. Особое внимание уделено наблюдаемым эффектам дальнодействия. Наряду с известным увеличением микротвердости Но в поверхностном слое (<10 мкм) при плотности тока/>100 А/см2 на больших глубинах г~(40-100}Лх (где Лз~1 мкм - прибег ионов) возникает второй ее пик #г=(0.6-0.7)-//0.

Во второй главе описаны методы анализа структурно-фазовых превращений, механических испытаний, характеристики источников облучения и методика эксперимента. Уникальность и многообразие модификаций при высокоинтенсивном облучении предъявляли дополнительные требования к этим методам по достоверности, надежности, быстродействию,, погрешности, разрешающей способности и границам применимости. Так как ни один из методов не является универсальным, то использовались по.возможности одновременно несколько независимых методов для подтверждения надежности и достоверности полученных данных. Основные из них следующие: резерфордовское обратное рассеяние с каналированием, вторичная ионная масс-спектрометрия, Оже-спектроскопия, электронно-позитронная аннигиляция, включающая анализ кривых углового распределения аннигиляционных фотонов и пучок медленных позитронов (0.2-30 кэВ), позволяющая анализировать слои толщиной от нескольких нанометров до 1-2 мкм; методы просвечивающей и растровой электронной микроскопии. Большинство анализов выполнялось в институте Ядерной Физики (г.Томск) и Институте.Модификации Поверхности (г.Сумы, Украина). Иногда традиционные методы анализа были недостаточны, например, при определении характера остаточных деформационных состояний, в металлах облученных импульсными ионными пучками. С этой целью разработан новый комплексный метод, включающий метод ядер отдачи. Он описан в главе 3.

Приготовление образцов проводилось в соответствии с поставленными задачами по стандартным методикам, отмеченным здесь для каждого вида исследований.

Основным модифицируемым механическим свойством (параметром оптимизации) для металлов выбрана микротвердость по причинам: 1) микротвердость радиа-ционно-чувствительное свойство; 2) она определяет большой класс других свойств: прочность и пластичность, коэффициент трения^ износостойкость; 3) она допускает модификацию при механической, химической и термообработке; нанесении специ-

альных покрытий, ударно-волновом нагружении, радиационных воздействиях. Хорошие результаты дает комплексная обработка, сочетающая определенные виды воздействий. Измерение твердости и микротвердости по глубине образцов выполнялось по специально изготовляемым косым шлифам. Износостойкость определялась посредством трения образцов по абразиву на испытательных; стендах, а ее величина контролировалась весовым методом и по глубине истираемого слоя.

Для экспериментов использовались следующие основные источники:

- ускорители мощных ютульсных пучков ионов: I) ТОНУС: -70 % С\ -30 % н4; 0.2-0.6 МэВ; 20-100 не; частота следования импульсов 0.5-4.0 мин"'; 20-250 А/см2; 0.2-6 Дж/см2/имп.;2) ВЕРА: -50 %С\~50 % ЬГ; 0.3 МэВ; 100 не; 100-2500 А/см2;

В третьей главе представлены результаты исследований глубинных превращений в металлах и сплавах, облученных мощными импульсными пучками ионов. Это нелинейное явление происходит при Ф>Фк и />Л (Фь Ь - критические значения флю-енса и интенсивности соответственно). Например для стали Р6М5: Ф*=3.3 Дж/см^имп., /¿=3-107 Вт/см2. Любые радиационные превращения определяются процессами трансформацией энергии облучения в веществе и задаются: 1) характеристиками облучения; 2) параметрами среды; 3) свойствами материала. О двух первых можно получить полную информацию. Сложнее со свойствами материала, изменяющимися уже во время высокоинтенсивного облучения. Такие процессы мало исследованы. Поэтому предлагаемая схема трансформации энергии, не претендует на полноту, но позволяет увидеть радиационно-стимулированные процессы в их взаимозависимости и объяснить вызванную ими модификацию свойств (рис. 1). Каждый блок схемы можно детализировать. Основное внимание уделено нелинейным эффектам взаимодействия излучения с веществом. Возможные пути трансформации энергии с соответствующими энергетическими и временными оценками подробно описаны в работе. Схема охватывает весь процесс трансформации по основным каналам от начала облучения до образования стабильной структуры, включая возможные Пути аккумуляции энергии, и успешно объясняла наблюдаемые эффекты. При определенно»! варьировании параметров облучения, среды и мишени можно осуществлять перераспределение энергии по каналам для направленной модификации свойств и оптимизации процесса обработки.

Глубинное упрочнение подробно анализировалось для быстрорежущей инструментальной стали Р6М5 (состав в ат. %: 5.3 \У; 4 Сг, 1.5 Мо; 1 V; 0.01 С; остальное Ре). "Установлено, что величина второго пика микротвердости Н Н: и область его локализации х=г зависят от режимов облучения (таблица 1). С увеличением плотности тока у растет величина второго пика микротвердости Н: и уменьшается его глубина от 150 мкм (3.3 Дж/см2/имп.) до 80 мкм (5.5 Дж/см2/имп:).

Таблица 1.

Экспериментальные и расчетные характеристики для второго пика микротвердости в стали Р6М5 облученной в различных режимах

№ J Г/» Ф, Hz, о . г, .. (dP/dx)„mz т,

А/см2 НС Дж/смг/имп МПа мкм МП а/мм МПа

эксперимент расчет

1необл — —- :— 320±20 — — — —

2 ; ;юо .80 3.3 70(Ы50 150 155 4021 2.27

3 120 100 3.5 820±50 130 116 4177 2.28

4 150 100 .4.4 935±60 110 102 4312 2.50

5 200 100 5.5 - 950+60 80 95 4331 3.01

Получены следующие эмпирические зависимости: //.=685•(/'/] ОО)043 и

г=150/(//100) . Зависимости микротвердости от глубины Я(х) коррелировали с распределениями скорости износа У/*) облученных образцов, которая снижалась на глубинах х~г в 1.5-2 раза (рис. 2). Подобные результаты получены нами для Ве.

0.6

2 о 0.4

С.

О а ол

Исходны й образец —t *

—к---

/ А-120 А/см2; 3. □ - 200 А/с*?; 5 1 S Дж/сгл^имп.; I 5 Дж/см^имп.; 3 1 импульс импульса

200

100 150

Глубина, мкм

Рис. 2. Зависимость скорости износа в облученных образцах стали Р6М5 от глубины.

На рис. 3 приведено распределение микротвердости по глубине Ве (99.98 % чистоты) после облучения одиночным импульсом ионов. Здесь как и для других металлов характерно наличие второго пика микротвердости на больших глубинах.

Ж После облучения МИЛИ . • _ ' 100 не; 150 А/ем2; 4.4 Дж/гаАпмп.

60 80 100 Глубина, мкм

Рис. 3. Распределение микро-твердости по глубине бериллия облученного одиночным импульсом ионов.

Анализ остаточных деформационных состояний, сформировавшихся после облучения выполнялся по новой методике. Образцы монокристалла свинца (99.8 %) были облучены мощными импульсными пучками' ионов (200 А/см2; 100 не; 5.5 Дж/см2/имп.). По косому шлифу получены распределения микротвердости по глубине Щх) (Рис.4а). Затем образцы насыщались газообразным водородом, не образующим никаких соединений со свинцом. Распределение его концентрации п„(х) определялось методом ядер отдачи. Он аналогичен методу Резерфордовского обратного рассеяния, но вместо энергии рассеянных ионов Не измеряется энергия ядер отдачи 'Н или 2Н. До облучения распределение концентрации водорода было равномерным пи(х)=п0, что соответствует равномерной концентрации дефектов.

После облучения распределение л„(х) резко неравномерное из-за неоднородного распределения дефектов. Водород легко заходил в области с- повышенным содержанием вакансий (области растяжения), где /г„>Яо> пн<по, где высокая концентрация междоузельных атомов (области сжатия). Дополнительно методом электронно-позитронной аннигиляций определено распределение /^параметра по глубине, полученного обработкой кривых углового распределения аннигилированных фотонов. Наблюдалась корреляция всех трех распределений Н(х), п^х) иДх) (Рис.4). Установлено наличие четырех слоев: Ы (0-80 мкм) с остаточными напряжениями сжатия; Ь2 (до . 140 мкм), где доминируют вакансионные дефекты (область растяжения); ЬЗ (130-250 мкм) (область сжатия); 1Л (>250 мкм) - область растяжения.

▲ - необ. О- ойлу пученные генные 1Д 1Л ъз ХА

40 80 120 160 200 240 280 320

Глубина, мем

Глубина, мкм

Рис. 4. Распределение микротвердости, концентрации водорода и /параметра по глубине мишени свинца, облученной мощным импульсным ионным пучком (100 не; 5.5 Дж/смг/имп.).

Величину напряжения а в любой точке х, а следовательно, и степень деформации е можно оценить как:

г~ 1п

п«(*)

"»о

~1п

п^х)

п,

~1п

(1)

где пю(х), п»о(х), Ино(дг) и л,{х), п^х), п„{х)- концентрации междоузельных атомов, вакансий и водорода, до и после облучения.

Принципиальна возможность распространения этих результатов на другие металлы, так как РЬ отличается малой микротвердостью, высокой пластичностью и низкой температурой плавления. Однако для всех металлов важны три результата: 1) распределение микротвердости Щх) имеет два пика, несколько отличающихся количественными параметрами, что при одинаковых режимах облучения свидетельствует об одном механизме образования упрочненных слоев; 2) метод электронно-позитронной аннигиляции дает одинаковый характер распределения структурно-чувствительных дефектов по глубине; 3) наблюдается корреляция между двумя распределениями Н(х) иДх), а для РЬ - тремя, включая п„(х). Это подтверждает возможность обобщения полученных результатов для всех металлов.

Принципиальным в выяснении механизма рассматриваемого эффекта дальнодействия является определение влияния различных видов радиации на глубинное упрочнение позволяет выявить главный фактор, определяющий этот эффект дальнодействия. Из стали Р6М5 изготовлялись четыре партии одинаковых образцов. Первая, контрольная не облучалась. Образцы второй имплантировались ионами С+ (40-60 кэВ; 50 мкА/см2; флюенс Фц=1.5-1018 см '2, который по энергии составлял 1.2-104 Дж/см2), третьей облучались импульсами рубинового лазера (длина волны 0.694 нм; 80 не; Фя~5 Дж/см^/имп.), а четвертой - импульсным ионным пучком (100 не; 200 А/см2; Фм~5.5 Дж/см'/имп.). Флюенсы подбирались такими^ чтобы микротвердость Н в приповерхностной области была одинаковой. Резкое различие в распределениях Н(х) наблюдалось во всех случаях (рис.5). Для необлученных величина микротвердости Я(х)=«иЗД при ионной имплантации - одномодальное, приповерхностное упрочнение (<0.2 мкм) связанное с образованием карбидных фаз. При лазерном и ионном облучениях второй пик микротвердости вызван ударной волной. Локализация второго пика микротвердости при лазерном облучении ближе к поверхности обусловлена более крутым начальным профилем поглощенной.энергии и его малой глубиной <0.1 мкм, на порядок меньшей, чем при ионном облучении. Отметим, что при облучении «-Ре низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком, когда генерировалась только упругая волна малой амплитуды (<0.1 ГПа) глубинное упрочнение не наблюдалось. Таким образом установлена определяющая роль ударной волны в глубинное упрочнение.

u к

Г1000

о.

В 800

600

I I 1 I I сталь Р6М5 1

—о—* с >„Л» Л X * X - ИСХОДНЫ - имплант С- облучею >- облучеш О 3 образец яция С (40 яе лазером м МИНИ ( -«0 кэБ; 50 (A=0j694 m OJ-ОЛМэ] мА/см*; 1J км; 80 не; 3; 100 ис; 2 •10* Дж/см 5 Дж/сгЛш 00 А/см1; 5 вдх) 5 Дж/с.Ас МП.)

А Х° о • X * О X С О

D О о X пх О D ° О

120

140

80 100 Гдубшга, мкм

Рис. 5. Распределение микротвердости по глубине в стали Р6М5 после облучения различными видами потоков энергии.

Оценка энерговкладов в упрочнение показывает, что при лазерном и и импульсном ионном облучениях они сравнимы. При ионной имплантации они на три порядка меньше О3), а упрочнение достигается только в приповерхностном

слое. Такой слой быстро истирается при эксплуатационных нагрузках (у резцов, сверл, фрез и др.). Для повышения износостойкости предпочтительнее лазерное и импульсное ионное облучения, создающие глубинное упрочнение. В этом случае слой материала L2 между двумя максимумами с остаточной деформацией растяжения (рис.4) играет роль демпфера, особенно благоприятного для повышения прочности при ударных воздействиях. Это можно применить для конструирования броней, защитных экранов и др. Предпочтительнее использование импульсного ионного облучения, чем лазерного, т.к. более высокое упрочнение с большей протяженностью упрочненного слоя достигается на больших глубинах, а КПД ускорителей ионов (1540 %) на порядки выше лазерных (<1 %).

, В четвертой 'главе рассмотрена кинетическая модель глубинного упрочнения. Она имеет следующие экспериментальные и теоретические обоснования: 1) рассматриваемый нелинейный эффект дальнодействия обнаружен для большого числа металлов и сплавов, отличающихся между собой механическими и тепловыми свойствами: AI, Си, W, Ве, РЬ, стали Р6М5 и титановом сплаве ВК8; 2) он устойчиво и отчетливо проявляется в наличии двух пиков микротвердости Н, их величина коррелирует: а) со средними значениями и,/ как в приповерхностной области, так и по глубине модифицированного слоя при различных режимах облучения; б) распределением износостойкости по глубине х\ 3) зависимостям микротвердости по глубине Н(х) отвечает один и

тот же характер остаточных деформационных состояний во всех металлах; 4) эффект происходит только при высокоинтенсивных импульсных радиационных воздействиях и основной вклад в него вносит ударная волна, а упругая волна такого эффекта не производит.

Модель структурно-фазовых превращений в поле ударной волны учитывает то, что воздействие ударной волны на атомарном уровне в принципе отличается от воздействия механической волны напряжений и аналогично воздействию лазерной ударной волны, а потому в большей степени определяется не амплитудой давления Р(х), а его градиентом дР/дх. Ударная волна представляет собой поток неравновесных фоно-нов, передающих импульс центру рассеяния, образующего дефект. Передача импульса проявляется не как коллективное воздействие, а как индивидуальное. Поэтому пороги дефектообразования в ударной волне ниже, чем при обычном нагружении при одинаковой плотности введенной энергии. Тогда роль примесей, дефектов и флуктуации возрастает. Очевидно, с этим связано обнаруженное глубинное перераспределение легирующих элементов в стали, облученной мощным импульсным пучком ионов. Наиболее интенсивно дефектообразование в области формирования фронта ударной волны на глубинах x~z, где градиент ¿Pick максимален. Критерий образования ударной волны предложенный В-Яяушкевичем для импульсного лазерного облучения, применим и как показано расчетами приведенными в работе, выполнен для ударной волны, генерируемой ионным пучком. Измеренное С.Чистяковым начальное давление ударной волны для различных режимов облучения составляет 2-14 ГПа. Рассчитанной поглощенной дозе Щх) соответствовало начальное распределение P(x,l=0)=IW(x) (где Г - параметр Грюнайзена). По дифференциальным уравнениям законов сохранения массы и момента импульса и уравнению состояния рассчитаны методом сеток пространственно-временные профили давления и градиент 8Р/&с:

dp ди

ir'pTx (2>

du д Р ,.

р1ГГ~1Г • " (3)

at д х

P=f(p)=A{l-polp)r А,у= const (4)

где и - массовая скорость в ударной волне.

Решение уравнений (2)-(4) проводилось по методу сеток по разностным уравнениям:

V"*1 -V" и".-и" * я»,-

m?=hp? (6)

К = Á i

p¡'

„П+1

O 5«+,+mf)

лч2

(С. -»,"), r. ("/W)

(7)

(8)

(9)

И/

где к, г - длины пространственного и временного интервалов; л- их соответствующие номера; т - масса интервала; У~Ур - удельный объем; - ударная вязкость материала. Си Сг=сош1 -варьируемые параметры. Алгоритм был реализован на ПЭВМ.

Хота давление ударной волны по глубине падает, ее фронт станоёйтся круче, достигая максимума при х~2. На рис. 6 показано распределение максимального градиента давления по глубцне в железной мишени, облученной в различных режимах. Расчетные значения параметров следующие: Л=(0.1-0.3) мкм, г=(0.02-0.05) не; /7=7870 кг/м3 - плотность железа; ^=0.01-0.5; С2=0.1-1.0. При увеличении плотности тока профиль начального распределения давления становится более крутым, поэтому область формирования фронта ударной волны смещается к облученной поверхности образца. Анализ результатов проверки расчетных характеристик по модели на устойчивость при различных значениях длин пространственного и временного интервалов приведен на рис. 7-8. б

80 120 160 200 Глубина х, мкм

Рис. 6. Распределение максимального градиента давления ударной волны в железе облученном в различных режимах.

5.2

I4"8

В .. н

¡4.4

4.0

3.6

; - Ре У=100 А/см1

0.0 0.1 0.2 0.3 Ьу мкм

Рис.7. Зависимость максимального градиента давления ударной волны в области второго пика от величины пространственного интервала.

5Л

и к

4.8

I 4.4

¥ I

4.0

3.6

: г« •■ /=100 А/см1

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

Г, МКС

рис: 8. Зависимость максимального градиента давления ударной волны в железе в области второго пика от величины временного интервала.

На рис. 9 приведена расчетная зависимость максимального градиента ударной волны в области второго пика для алюминия (99.99 %) от,дпотности тока. Начальное распределение давления рассчитывалось с учетом пробега ионов в А1 составляемого для энергии ионов в пучке 0.4. МэВ ~4.8 мкм. Параметры варьировались в следующих пределах: Л=(0.1-0.2) мкм, г=(0.01-0.02) не; С1=0.1-0.8; С2=0.05-1.0. Результаты расчета параметров ударной волны приведены в таблице 2.

- б

I 1-1

Й 5

\ |

30 35 40 45 50

Глубина, мкм

Рис. 9. Распределение максимального градиента давления ударной волны в области второго пика в облученном алюминии.

Таблица 2.

Экспериментальные и расчетные характеристики для второго пика микротвердости в алюминии, облученном в различных режимах

№ ) А/см2 Ч» не Дж/см2/имп МПа мкм г МПа/мм МПа

♦экспе-. римент расчет

1необ. — — — 450±30 — — —

2 100 80 ■ 3.3 , — . . „ ... 47-4,, 3811 0.82

3 120 100 3.5 900±50; 45- , 4189 0.93

4 150 100 4.4 — — 41.4 4697 1.09

5. 200 100 5.5 --- 40.8 5806 . ^30

* - эксперимент А.Д. Погребняка

В металлах типичны френкелевские пары дефектов - междоузельные атомы (/') и вакансии (и). Междоузельные атомы существенно подвижнее вакансии, поэтому их сток к дислокациям закрепляет последние, снижает их подвижность, вызывая рост

" ;А1-

»1 1 2 3 4 - 200 А/см1 -150 А/см1 -120 А/см1 -100 А/см1

42 ^^3

• <'

предела текучести и локальное увеличение микротвердости. Уравнения отмеченных кинетических процессов следующие: (Ы Л

(10)

К„п (11)

где п - концентрация пар дефектов (прпи =«); & - скорость их генерации, определяемая давлением Р(х) и градиентом оР/ск ударной волны; (¿Ый), -скорость рекомбинации пар декфекгов; {¿¡п/Л^ - скорость их стока; К„ Ка -коэффициенты рекомбинации и стока к д ислокациям.

Принимая, что в области второго пика значение микротвердости #г=аЛ/д где а =сопб1; N¡1 - число дефектов, стекшихся к дислокациям в ед. объема, и решая уравнение (9), получено:

Нг-аЫга \КаП ОС-——(»2)

I, Ч У Л,

где С/ - скорость продольного звука, Аг =1-10 мкм - ширина фронта ударной волны; гг=г/С/; А^Л х/С\, коэффициенты пропорциональности между: мощностью дозы и} -К/, скоростью генерации дефектов в области формирования фронта ударной волны и облученной области - Кг. Видно, что Н^3, что соответствует экспериментальной зависимости Нг-£м. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными (Таблица 1).

Основные результаты и выводы:

1. Экспериментально показано, что процесс формирования глубинных упрочненных слоев в металлах и сплавах при облучении мощными импульсными пучками ионов является нелинейным эффектом, который происходит при флюенсах и интен-сивностях выше некоторых критических значений, зависящих от свойств материала и параметров пучка. Исследовано формирование таких слоев в Ве, РЬ и стали Р6М5.

2. Экспериментально установлено наличие четырех деформационных слоев по глубине в облученных мощными импульсными пучками ионов металлов с различным характером остаточных деформационных состояний: две области сжатия и две растяжения, которые соответствуют пространственному распределению микротвердости.

3. Исследование влияния различных видов радиации на глубинное упрочнение показало: а) импульсный ионный пучок по сравнению с мощным импульсным лазерным облучением и ионной имплантацией формирует более протяженные упрочненные слои на больших глубинах с повышенной величиной микротвердости; б) их наличие обеспечивает значительное (1.5-2.5 раза) увеличение износостойкости металлов и сплавов.

4. Установлено, что обнаруженные эффекты дальнодействия в металлах, облученных импульсными ионными пучками, такие как перераспределение легирующих элементов в сплавах и глубинное упрочнение, полностью определяются ударной волной.

5. Разработанная кинетическая модель структурных превращений в поле ударной волны показала, что наиболее интенсивное дефектообразование происходит в области формирования фронта ударной волны, где градиент ее давления максимален. .

6. Проведенный расчет основных параметров ударной волны показал, что рассчитанные зависимости хорошо согласуются с экспериментальными данными при различных режимах облучения в исследуемых металлов. Показана устойчивость расчетных характеристик упрочнения в рассматриваемых пределах варьирования пространственного и временного интервалов.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Кылышканов М.К., Валяев А.Н., Плотников C.B. "Численное решение уравнений распространения ударной волны в твердых телах, генерируемой мощным импульсным пучком ионов". //4-ая Казахстанская Конференция с Международным Участием по Физике твердого тела, Караганда, 1996, с.159-160.

2. Валяев А.Н., Купчишин А.И., Плотников C.B., Кылышканов М.К. "Кинетика образования дефектов на фронте ударной волны при облучении металлов мощными импульсными потоками ионов". //Тезисы докладов III Международной Школы-Семинара "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах", Барнаул, 1996, с.69-70.

3. Valyaev A.N., Kylyshkanov М.К., Plotnikov S.V., Pogrebnjak A.D. "Investigation of radiation damages in a-Fe exposed to intense-pulsed-ion beam". //Abstracts of 10th Intern. Conf. on Surface Modification of Metals by Ion Beams. Gatlinburg, Tennessee, USA, 1997, THamP-48.

4. Валяев A.H., Плотников C.B., Кылышканов M.К., Плотников C.B. "Кинетика нелинейных механических эффектов в металлах при облучении мощными импульс-

ными пучками ионов". //Деп. КазгосИНТИ, 29.04.97, №7639-Ка97, 32 с. Реферат в сб. "Депонированные научные работы", Алматы, 1997, Вып.4, с.21-22.

5. Валяев А.Н., Плотников С.В., Кылышканов М.К. "Воздействие мощных ионных и электронных пучков на структурные превращения в сплавах". // Межвузовский сборник научных трудов, АГУ им. Абая, Алматы, 1998, с.24-27.

6. Валяев А.Н., Кылышканов М.К., Плотников С.В. " Процесс дефектообразования в металлах при воздействии мощных импульсных пучков заряженных частиц \ // Thesis of the reports Intern. Conf "Nuclear and Radiation Physics", Almaty, 1997, c.142-143.

7. Кылышканов M.K., Плотников С.В. " Кратерообразование на поверхности сплавов при воздействии мощных импульсных ионных пучков". // Thesis of the reports Intern. Conf. "Nuclear and Radiation Physics", Almaty, 1997, c. 144-145.

8. Ахмешканов Б.К., Кылышканов M.K., Салютов K.A., Касымов М.К. "Исследование структурно-фазовых превращений и механических эффектов в металлах при высокоэнергетическом воздействии". // Сборник научных трудов ВКТУ, Усть-Каменогорск, 1997, с.40-49.

9. Ахметжанов Б.К., Кылышканов М.К., Садилов К.А., Касымов М.К., Гордеева Т.П., Плотников А.Л. "Исследование механических эффектов в сталях и сплавах после высокоэнергетического воздействия". // Материалы XXXVI науч.-техн.конф. "Казахстан 2030", Усть-Каменогорск, 1998, с.362.

10. Плотников С.В., Валяев А.Н., Кылышканов М.К. "Структурно-фазовые изменения в сплавах после воздействия мощных импульсных пучков ионов". И Материалы XXXVI науч.-техн.конф. "Казахстан 2030", Усть-Каменогорск, 1998, с.377.

11. Плотников С.В., Валяев А.Н., Кылышканов М.К., Касымов М.К. "Упрочнение металлов мощными импульсными пучками ионов". // Сборник научных трудов ВКТУ, Усть-Каменогорск, 1996, с.

12. Valyaev A.N., Pogrebnjak A.D., Plotnikov S.V., Kylyshkanov М.К. " Studying of deforma-tional states in metals exposed to intense pulsed ion beams (IPIB)". II Surface and Coating Technology, USA, 1998 (»печати).

13. Valyaev A.N., Pogrebnjak A.D., Kupchishin A.I., Kylyshkanov M.K. " Influence of transformation and accumulation energy processes on deep metal damage exposed to intense radiation fluences". // Surface and Coating Technology, USA, 1998 (в печати).

14. A.N. Valyaev, M.K. Kylyshkanov, S.V.Plotnikov, A.D.Pogrebnjak, " Investigation of radiation damage in a-Fe exposed to intense pulsed ion beam (IPIB)". // Surface and Coating Technology, USA, 1998 (в печати).

15. A.D.Pogrebnjak, A.N. Valyaev, M.K. Kylyshkanov, S.V. Plotnikov, "Hardening of metals at high depth as a result of HPIB treatment". //Proceeding of 12-th Conf on High Power Particle Beams (BEAM'S-98), Haita, Israel, June 1-12, 1998, p.1-4.

16. A.N. Valyaev, M.K. Kylyshkanov, A.D. Pogrebnjak, A.A. Valyaev, "Modification of mechanical properties of Be and R6M5 steel under intense-pulsed-ion beam (IPIB)". //11-th Intern.

Conf. on Ion Beam Modification of Materials (XBMM-98), Amsterdam, The Netherlands, August 31-September 4, 1998, p.8.16. 17. AN. Valyaev, M.K. Kylyshkanov, AD. Pogrebnjak, A. A. Valyaev, "Mechanism of long-range effects in metals and alloys exposed to intense-pulsed-ion beam (MB)". //U-th Intern. Conf. on Ion Beam Modification of Materials (D3MM-98), Amsterdam, The Netherlands, August 31 -

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Кылышканов, Манарбек Калымович, Усть-Каменогорск

61 99 / и/ у /

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ, КУЛЬТУРЫ И ЗДРАВООХРАНЕНИЯ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кылышканов Манарбек Калымович

УДК 539.121.a04

Механизм глубинного упрочнения металлов и сплавов под воздействием

мощных импульсных пучков ионов

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

01.04.07 - Физика твердого тела

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Плотников С.В.

Усть-Каменогорск, 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение 4

1 Воздействие интенсивных пучков заряженных частиц на твердые тела 11

1.1. Особенности прохождения интенсивных пучков заряженных

частиц через вещество 11

1.1.1. Сильноточный электронный пучок 11

1.1.2. Мощный импульсный пучок ионов 13

1.2. Воздействие ударной волны на металлы 15

1.3. Взаимодействие импульсного лазерного излучения с

твердыми телами 18

1.4. Модификация структуры и физических свойств металлов и

сплавов при высокоинтенсивном ионном облучении 23

1.5. Структурно-фазовые превращения и упрочнение металлов и С11лавов под воздействием сильноточных электронных пучков 34 Постановка задачи 40

2 Методы анализа и методика эксперимента 42

2.1. Ядерно-физические методы анализа структурно-фазовых превращений в твердых телах 42

2.1.1. Метод Оже-электронной спектроскопии 43

2.1.2. Метод резерфордовского обратного рассеяния с каналированием 43

2.1.3. Метод вторичной ионной масс-спектрометрии 44

2.1.4. Металлографические исследования 44

2.1.5. Метод электронно-позитронной аннигиляции 4 5

2.2. Методы механических испытаний 49

2.2.1. Микротвердость как параметр оптимизации 49

2.2.2. Методика определения микротвердости 51

2.3. Характеристики источников излучения 53

2.4. Приготовление образцов 55

3 Экспериментальное исследование глубинных превращений в металлах и сплавах при воздействии мощных импульсных

пучков ионов............................................................................................ 57

3.1.Трансформация энергии при высокоинтенсивном радиационном облучении 5 7

3.1.1. Облучение 57

3.1.2. Мишень 59

3.1.3. Среда 60

3 1.4. Возбуждение электронной подсистемы 60

3.1.5. Баллистическое перемешивание 60

3.1.6. Возбуждение ядерной подсистемы 61 3.1.7 Нагрев решетки 62

3.1.8. Абляция 63

3.1.9. Механические напряжения 64

3.1.10. Потери энергии, теплоотдача среде 66

3.1.11. Структурно-фазовые превращения; стабильная структура; модифицированные свойства 67

3.2. Исследование радиационных превращений в a-Fe по поверхности и глубине модифицированного слоя 68

3.3. Сравнительный анализ воздействия на a-Fe высокоинтенсивных импульсных электронных и ионных пучков 76

3.4. Формирование пространственных упрочненных слоев в сталях 79 *

3.5. Исследование остаточных деформационных состояний в

металлах, созданных высокоинтенсивным ионным облучением 82

3.6. Влияние различных видов радиации на глубинное упрочнение металлов 86

4 Кинетическая модель глубинного упрочнения металлов под действием мощных импульсных пучков ионов 90

4.1. Механизм глубинного упрочнения металлов при ионном облучении.............................................................................................. 90

4.2. Расчет пространственно-временных характеристик ударных

волн........................................................................................................ 94

4.3. Влияние градиента давления на фронте ударной волны на дефектообразование и формирование второго пика микротвердости. Сравнение с экспериментом 96

Выводы 105

Заключение 105

Список использованных источников..........................................................................................109

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Появление лазеров, а затем ускорителей сильноточных электронных и мощных импульсных ионных пучков создало уникальную возможность получения новых видов воздействий концентрированных потоков энергии на материалы. В отличии от традиционных способов (ударно-волновое нагружение или закалка и отжиг сталей) они сочетают одновременно механическое, тепловое и радиационное воздействия. Это дало возможность создавать в макрообъемах такие высокие плотности возбуждений в электронной и атомной подсистемах твердых тел, ранее достижимых только в микрообластях треках тяжелых заряженных частиц и каналах электрического пробоя. Обнаружен ряд новых уникальных эффектов, таких как ранее предсказанная Л.В.Келдышем конденсация экситонов в полупроводниках, хрупкое разрушение всех классов твердых тел при воздействии сильноточных электронных пучков, аномальное глубинное упрочнение металлов, облученных мощными импульсными пучками ионов. Это положило начало развитию новых фундаментальных направлений в физике высоких плотностей энергии. В связи с необходимостью решения проблемы управляемого термоядерного синтеза в рамках национальных программ России, США и Японии требовалось проведение исследований по созданию и изучению свойств плотной плазмы, для управляемой генерации которой появились новые источники.

Возникли новые задачи и в радиационном материаловедении. К конструкционным материалам ядерной энергетики стали предъявляться повышенные требования по эксплуатации в экстремальных условиях - воздействиях мощных радиационных потоков, сверхвысоких температур и давлений, химически агрессивных сред. Для быстроразвивающейся аэрокосмической промышленности в произ-' водстве двигателей потребовались специальные жаропрочные материалы. В микроэлектронике возникла потребность в особо чистых материалах и специальных композитах с новыми свойствами. Стали и сплавы с высокой износостойкостью были нужны в машиностроении. Существующие химико-термические методы об-

работки не отвечали решению новых задач и практически исчерпали свои возможности. Это явилось стимулом в эффективном использовании новых видов концентрированных потоков энергии.

В настоящее время подобные мировые исследования характеризуются резкой интенсификацией работ. Об этом свидетельствует проведение традиционных международных конференций, таких как Ионно-Пучковая Модификация Материалов (Ion Beam Modification of Materials ШММ), Радиационные Эффекты в Изоляторах (Radiation Effects in Insulators REI), Поверхностная Модификация Металлов Ионными Пучками (Surface Modification of Metals by Ion Beams SMMIB), Ионно-Пучковый Анализ (Ion Beam Analysis - ЮА) и ряд других. Сейчас в мире в целом по известным причинам резко Ьократилось финансирование военных программ на разработку и создание пучкового оружия, поэтому возникла необходимость и появилась возможность использования большого парка существующих сильноточных ускорителей для новых целей и задач. В ряде стран стали разрабатываться свои конверсионные программы, о чем сообщалось на последней Конференции IBMM-96 (Альбукерке, Нью-Мехико, США, 1996 г.). В Японии (Нагаока, Технический Университет) создана новая технология по интенсивному Импульсному Ионно-Пучковому Испарению (Intense Pulsed Ion Beam Evaporation -ЮЕ), широко применяемой в электронной и оптической промышленности. В США появилась новая Программа по Ионной Поверхностной Обработке (Ion Beam Surface Treatment - IBEST).

Основой любой модификации свойств материалов является создание определенных структурно-фазовых превращений, вызванных специальными видами их обработки. Главные факторы, определяющие характер взаимодействия концентрированных потоков энергии с веществом, следующие: интенсивность облучения; полная введенная энергия и ее плотность (флюенс); вид частиц и их энергия; условия облучения; физико-химические свойства материала. Широко известные методы лазерной обработки и ионной имплантации достаточно полно представлены в литературе. В данной работе основное внимание уделено сравнительно новым и, как уже теперь установлено, успешным методам модификации при облу-

чении мощными импульсными ионными и сильноточными электронными пучками.

Уникальность воздействия импульсных ионных пучков на твердые материалы в обычно применяемых режимах обработки заключается в том, что малые

пробеги ионов (0.1-10 мкм), большие флюенсы (1-100 Дж/см /имп.) при коротких длительностях одиночных импульсов (<1 мкс) обеспечивают высокие значения потока мощности облучения 107-Ю10 Вт/см2, которые при токах в импульсе 550 кА и энергиях ионов 0.1-2 МэВ создают идеальные условия для сверхбыстрого (1010-10и К/с) нагрева в области поглощения излучения при минимальном тепло-отводе. Такой нагрев сопровождается очень интенсивными процессами плавления, испарения и выброса (абляции) материала со стороны облучаемой поверхности, который наблюдается при облучении образцов импульсами лазера. Испаренный материал может формировать специальные покрытия на подложках, а расплав кристалла при быстром остывании (Ю9-Ю10 К/с) способен создавать аморфные поверхностные слои, различные неравновесные микроструктуры и нерастворимые при обычных условиях твердые растворы, запрещенные диаграммами состояний.

Прогресс в применении мощных импульсных ионных пучков по сравнению с импульсным лазерным излучением в том, что они способны поставлять большую энергию 0.1-70.кДж за импульс при значительно более высоком КПД ис-

пользования энергии (т.е. отношения вводимой пучком энергии в мишень, к полной энергии, необходимой для генерации пучка), составляющими 15-40 % (для лазера <1%). Поэтому ускорители ионов более компактны и имеют меньшую стоимость, что обеспечивает преимущества их коммерческого использования. Другим существенным достоинством ионных пучков является возможность выбора вида ионов и их энергии, что вместе с соответствующим изменением флюенса-позволяет варьировать глубину проплавленного или испаренного слоя. Кроме этого, как показано в работе, мощные импульсные пучки ионов в отличии от импульсного лазера, более эффективны в формировании пространственных глубин-

ных упрочненных слоев в металлах, что существенно улучшает их механические свойства.

Подробный обзор работ по воздействию мощных импульсных пучков ионов на твердые материалы, включая физические аспекты явлений и радиационные превращения, представлен в [1] и монографии [2]. Кроме глобального применения мощных импульсных пучков ионов в программах управляемого термоядерного синтеза, их использование в технологиях включает: создание пленочных покрытий; легирование и перемешивание; глянцевание; очистка и полировка; улучшение прочностных и триботехнических свойств металлов; повышение антикоррозионных свойств; имплантация и отжиг; обработка поверхностей полимеров; нано-фазный порошковый синтез.

При близких значениях флюенсов и интенсивностей мощных импульсных ионных и сильноточных электронных пучков тепловые параметры их воздействия на металлы (величины пространственных температурных градиентов, скоростей нагрева и охлаждения) сравнимы между собой. Поэтому модификация свойств металлов определяет некоторые общие направления использования этих видов облучения в одних и тех же технологиях, например, для упрочнения сталей и сплавов и улучшения их триботехнических свойств и др.

В докторской диссертации А.Д.Погребняка исследовались механические свойства поверхностей сталей при облучении ионными пучками, а в работах Г.Ё.Ремнева пучками ионов модифицировались титановые сплавы лопаток авиационных двигателей. Модель массопереноса рассмотрена в [47], а работа [15] посвящена вопросам прохождения высокоинтенсивных импульсных пучков заряженных частиц, плавления и формирования упругих и пластических волн в металлах.

Научная новизна работы представлена:

1. Исследованием процессов формирования глубинных упрочненных слоев в металлах под воздействием мощных импульсных пучков ионов с использованием уникальных ядерно-физических методов: пучка медленных позитронов (0.2-

30 кэВ); измерения кривых углового распределения аннигиляционных фотонов; исследования остаточных деформационных состояний методом ядер отдачи; определение твердости наноиндентором.

2. Расчетом параметров ударной волны, генерируемой в металлах мощными импульсными ионными пучками

Практическая ценность работы состоит:

2. В разработке технологии обработки режущего инструмента и определении ее оптимальных режимов.

Достоверность полученных результатов достигается:

• корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью;

•использованием современных ядерно-физических методов анализа, строгим обоснованием выбора оптимизируемых параметров и экспериментальных методик определения'механических и триботехнических свойств;

•большим объемом экспериментальных данных и их статистической обеспеченностью;

Основные защищаемые положения:

2. Образование глубинных упрочненных слоев при облученйи импульсными ионными пучками обусловлено генерированием ударной волны в материалах и интенсивным дефектообразованием в области формирования фронта ударной волны. /

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: 1) Международной Конференции по Поверхностной Модификации Металлов Ионными Пучками (ЭММЕ-10, Гатлинбург, Теннесси, США, 1997); 2) 12-ой Международной конференции по мощным пучкам (ВЕАМ'8-98, Хаита, Израиль, 1998); 3) 3-ей Ме-

ждународной Школе-Семинаре "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах" (Барнаул, 1996); 4) Международной Конференции "Ядерная и Радиационная Физика" (Алматы-1997); 5) На семинаре Аэрокосмического Технологического Центра "Allied Signal" (г. Морристоун, Нью-Джерси, США, 1997); 6) 4-ой Казахстанской Конференции с Международным участием по Физике твердого тела (г. Караганда, Казахстан, 1997); 7) 11-ой Международной Конференции по Модификации свойств Материалов Ионными Пучками (IBMM-98, Амстердам, Голландия, 1998).

Публикации. Содержание диссертации изложено в 21 работах, включая 5 опубликованных за рубежом.

1 Воздействие интенсивных пучков заряженных частиц на твердые тела

1.1. Особенности прохождения интенсивных пучков заряженных частиц через вещество

Интенсивный пучок рассматривается как упорядоченный поток заряженных частиц, на эволюцию которого оказывают влияние собственные поля. Имеются отечественные и зарубежные монографии, посвященные методам их получения, конструкциям соответствующих ускорителей и способам их транспортировки [3-7]. Большая часть явлений описывается макроскопической гидродинамической теорией, уравнениями Власова и Максвелла.»Взаимодействие интенсивных пучков заряженных частиц с твердыми телами имеет важные особенности в отличии от Л слаботочных пучков. Эти особенности, с одной стороны, усложняют все расчеты, а иногда делают их вообще невозможными. £ другой стороны, они определяют появление новых фундаментальных коллективных эффектов, в том числе и нелинейного характера, обуславливающих уникальные превращения и модификации свойств материалов, которые способствуют успешному применению пучков в различных технологиях.

1.1.1. Сильноточный электронный пучок

Как отмечалось, пробеги электронов на порядки выше пробегов ионов той же энергии. Одн�