Моделирование массопереноса в металлических материалах при облучении ионными пучками

Вахний, Татьяна Владимировна

Моделирование массопереноса в металлических материалах при облучении ионными пучками тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Вахний, Татьяна Владимировна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Омск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Моделирование массопереноса в металлических материалах при облучении ионными пучками»

Автореферат диссертации на тему "Моделирование массопереноса в металлических материалах при облучении ионными пучками"

На правах рукописи

ВАХНИЙ ТАТЬЯНА ВЛАДИМИРОВНА

МОДЕЛИРОВАНИЕ МАССОПЕРЕНОСА В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ИОННЫМИ ПУЧКАМИ

01.04.07 — физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ОМСК-2006

Работа выполнена на кафедре Физического материаловедения Омского государственного университета им. Ф.М. Достоевского

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат физ.-мат. наук, доцент Вершинин Георгий Анатольевич

доктор физ.-мат. наук, профессор Шаркеев Юрий Петрович;

кандидат физ.-мат. наук, вед. научный сотрудник Похил Григорий Павлович.

ФГНУ "Научно-исследовательский институт ядерной физики", г. Томск.

Защита состоится " 14 " декабря 2006 года в 12 часов на заседании диссертационного совета К212.179.02 по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук при Омском государственном университете по адресу: 644077, г. Омск, пр. Мира, 55а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета.

Автореферат разослан " " ноября_ 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К212.179.02 кандидат физико-математических наук, доцент

~~ Г.А. Вершинин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Получение материалов с улучшенными физико-механическими свойствами является важной проблемой машиностроения, энергетики, химической промышленности и ряда областей современной техники. Во многих случаях повышение долговечности и надежности различных деталей и инструмента достигается путем изменения химического состава и структуры лишь поверхностного слоя. Для модификации поверхности в настоящее время широко применяется радиационная обработка материалов. Однако, несмотря на накопленный достаточно обширный экспериментальный и теоретический материал, ее возможности в полной мере еще не исчерпаны, что связано, в частности, с недостаточным пониманием процессов, протекающих в твердом теле в условиях облучения. К числу наименее объясненных явлений, наблюдаемых при воздействии на металлы и сплавы ионными пучками, относится массоперенос на аномально большие глубины от обрабатываемой поверхности (на порядки превышающие проективный пробег внедряемых частиц). При определенных условиях облучения металлических материалов величина эффективного коэффициента диффузии может оказаться на 2—3 порядка больше, чем в жидком состоянии материала. Существующие теоретические и экспериментальные работы по исследованию диффузионных процессов при обработке поверхности твердых тел пучками заряженных частиц не позволяют дать однозначное объяснение указанного явления. Понимание природы усиленного массопереноса позволит более эффективно использовать облучение поверхности ионными пучками для создания материалов с заданным комплексом физико-механических свойств.

Целью диссертационной работы являлось выявление основных механизмов и интерпретация наблюдаемых закономерностей массопереноса на аномально большие глубины при облучении металлических материалов ионными пучками различной интенсивности.

Для достижения указанной цели в диссертации, ставились следующие задачи:

1. Исследовать влияние подвижности протяженных дефектов на диффузионные процессы при ионном облучении металлов и сплавов.

2. Построить физико-математическую модель переноса вещества в металлических материалах, подвергаемых воздействиям ионными пучками различной интенсивности.

3. Численно проверить возможность увлечения примесных атомов упругими и ударными волнами, генерируемыми при облучении поверхности металлов пучками заряженных частиц.

4. На основе модельных расчетов дать интерпретацию появления длин-нопробежных "хвостов" концентрационных профилей диффундирующих атомов при радиационных воздействиях на металлические материалы.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением аналитических и современных численных методов, проверкой алгоритмов и вычислительных программ на тестовых задачах, сопоставлением экспериментальных данных и исследований других авторов с результатами, полученными в ходе выполнения настоящей работы.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Основным механизмом усиленного массопереноса на глубины, значительно превышающие проективные пробеги внедряемых частиц, при высокодозовой ионной имплантации в поликристаллические металлические материалы является диффузия по мигрирующим границам зерен и дислокациям.

2. При облучении металлических систем мощными импульсными ионными пучками перераспределение примесных атомов в образце происходит на аномально большую глубину в результате диффузии по мигрирующим протяженным дефектам, в основном, до плавления материала.

3. С увеличением количества импульсных воздействий мощным пучком ионов ослабление эффекта усиленного переноса вещества на больших глубинах объясняется высокой плотностью закрепленных протяженных дефектов, поскольку из-за быстрого остывания образца они не успевают отжигаться, а повторное прохождение волн напряжений той же амплитуды оказывается уже не способным привести к такой перестройке дефектной структуры и сопровождающему ее усилению массопереноса, как при первом воздействии.

4. Наблюдаемые после многократных импульсных воздействий мощным ионным пучком неоднородности концентрационных профилей перераспределенных атомов по глубине обусловлены термодиффузионным потоком.

Научная и практическая значимость. Предложенная физико-математическая модель переноса вещества позволяет глубже понять механизм усиленного массопереноса в поликристаллических металлических материалах при облучении ионными пучками различной интенсивности. Полученные в работе результаты могут быть применены при анализе

концентрационных профилей внедренных или перераспределенных атомов при радиационных воздействиях, а также при разработке новых технологий модификации свойств металлических материалов пучками заряженных частиц.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1. Предложена физико-математическая модель переноса вещества в поликристаллических металлических материалах, подвергаемых воздействиям ионными пучками различной интенсивности, в которой наряду с прямой объемной диффузией от облучаемой поверхности, учитывается диффузия по мигрирующим границам зерен, взаимодействующим с примесью.

2. Построено аналитическое решение уравнения диффузии с переменными коэффициентами с учетом упругого взаимодействия между атомами примеси и мигрирующей границей, позволяющее изучать влияние протяженных дефектов на диффузионные процессы.

3. Путем моделирования показано, что длиннопробежные "хвосты" концентрационных профилей диффундирующих атомов при радиационных воздействиях в поликристаллических металлических материалах формируются за счет диффузии по мигрирующим границам зерен и дислокациям.

4. Наблюдаемые закономерности замедления диффузионных процессов на больших глубинах при многократных импульсных воздействиях мощным ионным пучком объяснены образованием высокой плотности закрепленных протяженных дефектов структуры.

5. Показано, что построенная модель переноса вещества может быть применена для расчета концентрационных профилей диффундирующих атомов при высокоскоростных импульсных механических воздействиях.

6. Уточнено влияние на усиление диффузионных процессов волн напряжений, генерируемых при обработке поверхности металлов пучками заряженных частиц.

10) (Томск, 21-25 сентября 1999 г.); Региональной научной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых (Новосибирск, 11-13 декабря 2001 г.); Ш Международной конференции "Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах" (Горный Алтай, 29 июля - 3 августа 2002 г.); III Всероссийской научной молодежной конференции "Под знаком сигма" (Омск, 4-6 июля 2005 г.); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации" (НТИт2005) (Новосибирск, 8-11 декабря 2005 г.); Третьей конференции молодых ученых "Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии" (Томск, 3-6 марта 2006 г.); 8™1 International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Tomsk, Russia, 10-15 September, 2006).

Личный вклад. Автором разработана физико-математическая модель переноса вещества в поликристаллических металлических материалах, подвергаемых воздействиям ионными пучками различной интенсивности, в которой наряду с прямой объемной диффузией от облучаемой поверхности, учитывается диффузия по мигрирующим границам зерен, взаимодействующим с примесью. Построено аналитическое решение уравнений диффузии с переменными коэффициентами с учетом упругого взаимодействия между атомами примеси и мигрирующей границей зерна, образованной полигональной стенкой краевых дислокаций. Также автором лично написаны все компьютерные программы для расчета концентрационных профилей внедренных и перераспределенных атомов при радиационных воздействиях.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано двадцать работ, список которых приводится в конце автореферата.

Построение и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 160 наименований, и приложения; содержит 37 рисунков и 3 таблицы. Общий объем диссертации 143 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается краткое обоснование актуальности исследования, формулируется цель и задачи диссертации, изложены новизна работы, ее научная и практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту, приведены данные об апробации работы, указан личный вклад автора, описана структура диссертации.

В первой главе "Эволюция дефектной структуры и особенности диффузионных процессов при энергетических воздействиях на металлические материалы" проведен обзор и анализ литературных данных по аномальному массопереносу. Рассмотрены основные современные модели и предполагаемые механизмы усиления переноса вещества. Проанализированы особенности диффузионных процессов при различных энергетических воздействиях на металлические материалы, при которых происходит перестройка дефектной структуры.

Структурная чувствительность усиленного массопереноса указывает на то, что он происходит не по бездефектному объему материала, а по дефектам решетки, таким как границы зерен и дислокации. Однако вклад диффузии по ним в концентрационный профиль внедренных или перераспределенных атомов не может быть существенным, так как протяженные дефекты занимают малую долю объема металлического образца [1]. Если же учесть, что при радиационных воздействиях границы зерен и дислокации перестраиваются, а продиффундировавшие по ним атомы могут отставать и попадать в зерно, то вклад диффузии по протяженным дефектам может существенно возрасти.

При облучении металлических материалов мощными импульсными ионными пучками, даже если поверхностный слой Образца и плавится, все равно после остывания материала степень изменения дислокационной структуры и толщина модифицированного слоя оказываются существенно больше, чем при ионной имплантации. Дефекты в жидкой фазе отжигаются не полностью, а лишь частично, из-за очень больших скоростей охлаждения (порядка 109 К/с) сильнонагретого материала.

Наблюдаемое при облучении металлических материалов пучками заряженных частиц гигантское усиление миграции атомов не возможно объяснить в рамках существующих моделей и предполагаемых механизмов ускорения переноса вещества. Проанализировав имеющиеся в литературе данные по аномальному массопереносу, можно выделить несколько недостаточно изученных моментов. Во-первых, нет теоретических моделей переноса вещества в металлических материалах при радиационных воздействиях, в которых бы учитывалось изменение дефектной структуры (прежде всего, перестройка дислокаций и изменение их плотности) в процессе облучения. Во-вторых, если при импульсных воздействиях мощными ионными пучками имеет место изменение агрегатного состояния вещества, то при расчете концентрационных профилей перераспределенных атомов обычно диффузией в твердом состоянии пренебрегается и учитывается только диффузия в жидкой фазе. Однако, поскольку аномальный массоперенос наблюдается именно когда идет перестройка протяженных

дефектов, то пренебрегать диффузией в твердом состоянии, по-видимому, нельзя. В-третьих, до сих пор остается окончательно не выясненным вопрос о возможности увлечения межузельных атомов волной напряжений, генерируемой при облучении металлических материалов пучками заряженных частиц. В конце этой главы сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Вторая глава "Усиленный массоперенос при облучении металлических материалов в режиме ионной имплантации" посвящена изучению диффузии имплантируемых атомов по неподвижным и мигрирующим границам зерен, взаимодействующим с примесью.

Известно [2], что напряжения, возникающие при обычно используемых параметрах и режимах ионного облучения в имплантационной металлургии, достигают величин, существенно превышающих предел текучести материалами достаточны для инициирования механизмов перестройки и накопления дислокаций в облучаемой мишени на глубине много большей (на порядки) толщины легированного в результате ионной имплантации слоя. В свою, очередь, дефектная структура твердых тел сильно сказывается на течении процессов массопереноса [3]. Наличие неоднородностей строения реальных кристаллов, содержащих широкую гамму различных дефектов, может существенно менять скорость, а иногда и направление диффузии. Такие эффекты, безусловно, должны иметь место при энергетических воздействиях, создающих неоднородную деформацию твердого тела. Поэтому в данной главе исследуется влияние на процесс межзеренной диффузии поля упругих напряжений границы, а также движения границы зерна при наличии атмосферы примесных атомов. ,

В случае обработки поликристаллических металлических материалов непрерывными ионными пучками (режим ионной имплантации), когда мигрирующие границы зерен можно считать независимыми ("кинетика типа В" [1]), т.е. при выполнении условия +Vt < с1 (где £) - коэффициент объемной диффузии, V— средняя скорость миграции границ зерен, с1 — средний размер зерен, I — время облучения), концентрационный профиль в направлении оси у, перпендикулярной к облучаемой поверхности, может быть представлен в виде:

С(у, 0 = пр- ср(у, О + «о' с(у, 0\у^0 + па • с(у, /)|^0, (1)

где ср(у^) описывает прямую объемную диффузию с облучаемой поверхности, с(у, 0|р=0' <>1^0 ~ ДИФФУЗИЮ по неподвижным и мигри-

рующим границам зерен, соответственно. Величины пр, п0, п(1 — определяют доли вкладов в концентрационный профиль перечисленных механизмов.

Распределение имплантированной примеси в результате прямой объемной диффузии по глубине мишени с учетом распыления облучаемой поверхности может быть описано уравнением [4]:

ЭСрСМ)=£>-

cp{yj) „ дср(у, О

д у'

■ + v,

ду

+/G0,

(2)

где у — расстояние от поверхности, распыляемой со скоростью УБ = 8 JI с0 \ Б — коэффициент распыления (среднее число атомов, выбиваемых из мишени одним ионом), J — плотность потока ионов; с0 — концентрация атомов мишени; /(у) — концентрация примеси, внедряемой за единицу времени, может быть описана функцией Гаусса:

/00 =

-ехр

' р 42

р j

(3)

где Rp и ARP — средний проективный пробег и страгглинг, зависящие от энергии ионов.

Уравнение (2) на полупрямой решается при следующих граничных условиях:

—С (0,0 = 0, lim ср(у, t) = 0. (4)

О у у-юо ^

Для больших времен легирования при S > 1 существует стационарное решение уравнения (2), имеющее вид [4]:

f \ i f ? Y^

Ysj - VSAR,2^

с^Шеф

y-Ri

42 ar

+ exp

p J

erfc

r rp+vsarp2/d

42 arn

y-Rp-

2 D

-erfc

ry-Rp-VsARp2/DS

42 ar,

(5)

Для учета вклада зернограничной диффузии в итоговый концентрационный профиль внедренных атомов была рассмотрена малоугловая симметричная граница зерна, образованная полигональной стенкой краевых дислокаций, расположенных перпендикулярно свободной поверхности материала, на которую падает пучок имплантируемых ионов. Ось у направлена вдоль границы, а ось д: - перпендикулярно границе. Предпола-

галось, что на свободной поверхности образца концентрация диффундирующего вещества сохраняет постоянное значение с0, коэффициенты диффузии (в зерне и границе) не зависят от концентрации примеси. Граница зерна движется вдоль оси х со средней скоростью V при симметричном распределении атмосферы примесных атомов. Для описания перераспределения атомов примеси в окрестности движущейся полигональной стенки дислокаций использовались следующие уравнения [3]:

д1 1

(6)

— для концентрации с^х^у^) диффундирующего элемента в межзерен-ной границе;

£> д1 2

V и кТ

(7)

- для концентрации с2(х,у, в объеме зерна с учетом упругого взаимодействия £/(х, у, г) атомов примеси с границей. Здесь — коэффициент зернограничной диффузии, к — постоянная Больцмана, Т — температура образца. Потенциал упругого взаимодействия атома примеси с полигональной стенкой краевых дислокаций был выбран в виде [3]:

£/(х) = 4/3-(1 + и)/(1-и)-С6г3^ а-е~ах, где а = 2л7/г , И - расстояние между дислокациями в стенке, о — коэффициент Пуассона, С — модуль сдвига, Ъ — вектор Бюргерса, £ — {г1—г)/г — относительная разность линейных размеров атомов матрицы (г) и примеси (п). Полагается, что диффузионные потоки в глубине материала в зерно направлены перпендикулярно к межзеренной границе, а прямой объемной диффузией со свободной поверхности образца при зернограничной диффузии пренебрега-ется в силу предположения V « Поэтому уравнения диффузии (6) и (7) были дополнены следующими начальными и граничными условиями: с1(х,у,0) = с2(х,у, 0) = 0. (8)

с{ (х, 0, / 0) = с0, Су(х, со,/) = 0,

с2(6 + У^у,0 = с1(Я + У^уЛ С2(оо, >>,/) = 0, (9)

дсх

дх

дс

2 +.с2

ди

дх кТ дх

х=ё+У1

т.е. при х = £ + предполагается отсутствие скачка концентраций и

равенство нормальных диффузионных потоков между границей и объемом зерна.

После перехода в движущуюся систему координат и определенных преобразований было найдено точное решение сформулированной задачи. Оно имеет вид:

/ \ уЛ

Ci(S,y,t) =

Со

е^^ 'erfc

2VÄ7

■Jgi

+ е № •erfc

и +1,2и +1--—,-Le~ax

л + 1,2и + 1——,-Le~aS Da

(10)

(П)

где введено обозначение:

-n + -

Ф\ n + 2,2rt + 2——,-Le~aS 1 Da

) и + 1

и + 1,2/1 + 1-

Le~aS-Le

2/1 + 1-

L = AalkT, <P(ß, y, z) — вырожденная гипергеометрическая функция.

Выражения (10) и (11) позволяют определить концентрацию диффундирующего элемента в мигрирующей со средней скоростью V вдоль оси х межзеренной границе и в объеме зерна, соответственно. Однако, при изучении межзеренной диффузии обычно используют метод послойного анализа, в соответствии с которым экспериментально изучается не распределение концентрации c2(x,y,t) в зерне, а профиль концентрации диффундирующего элемента в зависимости от глубины, который определяют следующим образом:

со

c(y,t) = 2<5-с1(£,у,0 + 2- Jc2(*,у,t)dx . (12)

. ' ■ s

Соотношения (1), (5), (10), (11) и (12) были положены в основу моделирования. ;

Из расчетов концентрационных профилей диффундирующих по границам зерен примесных атомов следует, что "крупные" частицы (rv > г ) вследствие упругого взаимодействия с границей тормозятся последней, а "мелкие" (^ < г ) — ускоряются (см. рис. 1). С понижением тем-

пературы образца данная тенденция усиливается. Также численно показано, что при миграции границ зерен с некоторой постоянной скоростью глубина проникновения примеси оказывается значительно больше (рис. 1.6), чем при неподвижных границах (рис. 1 .а).

У,мкм у,мкм

Рис. 1. Модельные профили ионов железа (а — II< О, V = 0)

и титана (б — 17 > О, V = 3,2*10"* см/с) в вольфраме в зависимости от температуры Т: 1 — Г=300 К, 2 — Т — 500 К, 3 — без учета взаимодействия диффузанта с границей зерна

На рис. 2 приведены рассчитанные концентрационные профили ионов аргона в вольфраме: без учета (а) и с учетом (б) вклада межзерен-ной диффузии, и измеренный методом ВИМС после ионной бомбардировки с энергией 115 кэВ, плотностью ионного тока 2 мА/см2, дозой 7-1019 ион/см2 [5]. Учет объемной диффузии описывает эксперимент только в тонком приповерхностном слое (см. рис. 1.а). На рис. 2.6 суммарная форма модельной кривой 4 определяется вкладами: 1 — прямой объемной диффузии (79 %); 2 — диффузией по неподвижным протяженным дефектам (1 %) и 3 - по мигрирующим со средней скоростью У= 7,5 • 1СГ8 см/с дефектам (20 %). Объемный коэффициент диффузии В полагался равным 2,8-Ю-1 см2/с, коэффициент диффузии в границе субзерна — 500*1), коэффициент распыления поверхности — 14, температура образца составляла 300 К, длительность внедрения ионов аргона в вольфрам — примерно 60 минут. Параметры, характеризующие среду и определяющие потенциал взаимодействия дислокаций с примесью, брались из справочников.

О 0.2 0.4 0.6 о 0.2 0.4 0.6

Д'.мкм у?, мкм

Рис. 2. Концентрационные профили ионов аргона в вольфраме: а — только прямая объемная диффузия; б — с учетом вклада межзеренной диффузии; точки соответствуют экспериментальным данным [5]

Сопоставление модельных расчетов с экспериментом было также проведено для систем (имплантируемые атомы - материал мишени): алюминий — никель, титан — сталь, молибден — сталь. Исходя из экспериментальных данных о структуре облучаемого материала, предложена теоретическая оценка вкладов перечисленных в выражении (1) механизмов диффузии, т. е. множителей пру «0, «</. Из проведенных расчетов следует, что учет диффузии по мигрирующим границам зерен позволяет объяснить проникновение имплантированных атомов в облучаемый материал на глубину, много превышающую их проективный пробег.

В третьей главе "Перераспределение атомов при мощных импульсных воздействиях ионными пучками на металлические системы" исследуется перенос атомов при импульсной обработке материалов.

Опираясь на известные математические модели [1] диффузии в поликристаллических материалах, процессы массопереноса при импульсных воздействиях мощными ионными пучками на металлические системы описываются следующим образом. На первоначальном этапе (до начала плавления образца), когда плотность протяженных дефектов мала, а мигрирующие границы зерен можно считать независимыми ("кинетика типа В"), примесные атомы диффундируют по малодефектному объему материала под действием градиентов концентрации, температуры и давления (объемная диффузия и диффузия по изолированным мигрирующим границам зерен). Концентрационный профиль примесных атомов в зерне определен суммой указанных вкладов. С течением времени в облучаемом мощным ионным пучком материале с увеличением плотности дефектов растет число точек закрепления последних, и они становятся практически неподвижны-

ми. При этом поля объемной диффузии начинают перекрываться от соседних границ зерен (и отдельных дислокаций), поэтому их уже нельзя рассматривать как независимые ("кинетика типа А"). Для описания массопере-носа в этом случае вводится эффективный коэффициент диффузии Д,/ = + (1—л)£>, где ^ — доля атомов диффундирующего элемента, находящихся в границах зерен (или дислокациях). Таким образом, концентрационный профиль диффундирующих атомов представляется в виде:

С (у, 0 = пр • ср (у, /,£>) + пй • с (>>, Г, А В!)+ п5 • с, СУ, £>е/ ), (14) где ср(у, £)) и (у, ) — соответствуют вкладам диффузии с облучаемой поверхности по бездефектному объему материала с коэффициентом диффузии £> и по сильнодефектному с £>е/, соответственно (с учетом термо- и бародиффузии); с (у, t, И, И — вклад межзеренной диффузии по мигрирующим со скоростью V границам (вкладом диффузии по неподвижным изолированным границам пренебрегается). Множители пр, па и и, определяют вклад в концентрационный профиль перечисленных механизмов.

Кроме того, при импульсных воздействиях облучаемый материал может плавиться и испаряться. Тогда учитывается диффузия в жидкой фазе с коэффициентом £>/ в течение соответствующего отрезка времени, а также распыление поверхности. После окончания импульсного воздействия образец остывает с очень высокой скоростью (порядка 109 К/с), поэтому дефекты в нем практически не успевают отжечься, и диффузия примесных атомов протекает в сильно дефектном затвердевшем материале (с коэффициентом А,/)- Следовательно, при повторных воздействиях мощным ионным пучком генерируемые упругие волны, проходя через образец, оказываются уже не способными привести к такой перестройке дефектной структуры, как при первом воздействии. Поэтому вклад в итоговый концентрационный профиль диффузии по мигрирующим протяженным дефектам уменьшается с увеличением количества импульсных воздействий.

Перераспределение атомов в результате прямой объемной диффузии при импульсном воздействии на металлический образец мощным ионным пучком описывается уравнением [6]:

асСу,о.дЭ^.о + _g.frВтЪПуА+Вр^ Л_ (15)

дt ду2 ду II * ду 1 ду

где введены обозначения £)г — коэффициент термодиффузии, А> — коэффициент бародиффузии, Т— температура, Р — давление.

При воздействии мощными импульсными ионными пучками умеренной интенсивности (< 109 Вт/см2) уравнение (15) решается совместно с задачей Стефана [6] и уравнением термоупругости [6] с соответствующими начальными и граничными условиями.

Рассмотрим образец, состоящий из подложки, покрытой пленкой толщиной / с начальной концентрацией диффундирующего вещества пленки с0. Тогда начальные условия можно записать следующим образом:

с0, 0<у<1,

п / <16>

О, у >1

и, пренебрегая конечностью образца, выбрать граничные условия в виде:

^£1 = 0; 0(00,0 = 0. (17)

дУ

Решение линейного параболического уравнения (15) с переменными коэффициентами строится методом параметрикса [7]. Согласно этому методу, решение задачи (15) — (17) в первом приближении можно представить следующим образом:

с(у, 0 = сс(у,0 + ст(у,1) + сР(у,0, (18)

где сс(хЛ) описывает концентрационную зависимость без учета термо- и бародиффузии:

Сс(У>0 =

со

2фгГЙ 5

Л ехР

{у-4У

+ ехр

(у+4У

(19)

слагаемые ст{у,Г) , сР(у^) описывают термо- и бародиффузию, соответственно. Выражение для ст(у,0 имеет вид:

¿>г °г____'г 1 "С дТ{т],ст) 1

ст(у,0= ' Гс(^0) [ / Ц-

дт]

(20)

с1<!;с1сгс17],

а выражение для сР(у,/) получается из ст(у, *) заменой Ит на

дТ!дт] на дР/дт] и д2Т/дт] 2 на д2Р/дт] 2 .

Для учета вклада диффузии по мигрирующим протяженным дефектам в итоговый концентрационный профиль перераспределенных атомов пленки в металлическую подложку были решены уравнения (6) — (7) со следующими начальными и граничными условиями:

с1(х,у,0) = с0-в(1-у)у с2(х,у,0) = 0; (21)

ду

+ = с2(°о,;и,0 = 0, (22)

дх

дх кТ дх

x=S+Vt

Проведенные расчеты концентрационных профилей перераспределенной примеси с учетом термо- и бародиффузии, не принимающие во внимание изменений дефектной структуры материала в процессе облучения, не согласуются на больших глубинах с экспериментальными данными.

На рис. З.а сопоставлен с экспериментом [6] модельный концентрационный профиль серебра в меди после облучения Ag-пленки толщиной 0,1 мкм на Cu-подложке одним импульсом мощного пучка ионов углерода с энергией 0,5 МэВ, длительностью импульса 200 не и плотностью тока 40 А/см2. При таком режиме облучения образец плавится до глубины приблизительно 1 мкм, температура кипения не достигается, распыляется примерно 0,05 мкм поверхности. При моделировании использовались следующие значения коэффициентов диффузии: D = 10" м 2/с, Dx= 3000D, Di = SOD. Полученное согласие с экспериментом достигается при предположении, что до плавления пр = 0,5, rtj = 0,1, ns — 0,4, т. е. половина атомов диффундирует по бездефектному объему материала, 10 % атомов попадает в зерно после диффузии по мигрирующей границе зерна (или дислокации), а остальные атомы переносятся по сильнодефектному объему материала.

При моделировании многократных импульсных воздействий каждый вновь полученный профиль концентрации служил начальным распределением для последующих воздействий. На рис. З.б представлены модельные концентрационные профили серебра в меди, полученные с учетом распыления поверхности после 5 и 15 импульсов (без учета диффузии по мигрирующим границам при повторных воздействиях). Для уп-

рощения вычислений при многократных воздействиях пространственно-временное поле температуры описывалось ступенчатой функцией Хеви-сайда Т(у,1) = Т0-в{Ут(-у), где Г0 = 900К - температура образца,

100 м/с - скорость распространения тепловых возмущений; баро-диффузионный поток атомов не учитывался.

Рис. 3. Концентрационные профили серебра в меди после однократного воздействия (а), пяти (кривые 1,1') и пятнадцати (кривая 2) импульсов мощного пучка ионов углерода (б). Точки соответствуют экспериментальным данным [6]

В работе также проведено сопоставление модельных расчетов перераспределения атомов титана в твердом сплаве ВК8 с измеренным после воздействия мощным протонно-углеродным пучком. Из проведенных расчетов следует, что длиннопробежные (до глубин, больших толщины проплавленного слоя) "хвосты" концентрационных профилей формируются за счет диффузии по мигрирующим протяженным дефектам, в основном еще до плавления материала. Дополнительный вклад в перенос вещества вносит термодиффузия. Ею обусловлены наблюдаемые после многократных мощных импульсных воздействий ионным пучком неоднородности концентрационных профилей.

Построенная модель была применена для описания процессов усиленного переноса вещества при высокоскоростных импульсных механических воздействиях. Достигнуто хорошее согласие с экспериментом [8, 9] расчетов перераспределения меченых атомов никеля в никеле и меченых атомов железа в железе, полученных после ударного механического нагружения.

С целью исследования возможности увлечения межузельных атомов фронтом ударной волны вглубь металлического образца в расчетах концентрационного профиля учитывался поток атомов, обусловленный ударной волной. Пространственно-временное поле напряжений ударной волны описывалось солитонным импульсом [10]. Для того, чтобы был существенен эффект увлечения междоузельных атомов ударной волной вглубь металлического образца, градиент давления во фронте волны должен быть больше 5-109ГПа/м. Проведенные численные расчеты полей напряжений показали, что при воздействии на металлы мощными импульсными ионными и электронными пучками умеренной интенсивности (< 109 Вт/см2) такие большие градиенты давления не создаются. Поэтому роль волн напряжения в усилении процессов массопереноса состоит в том, что они создают в обрабатываемом материале высокую плотность перестраивающихся протяженных дефектов, диффузия примесных атомов по которым ускоряется. Однако, не исключено, что при определенных режимах1 облучения металлических материалов импульсными пучками заряженных частиц высокой интенсивности (главным образом, при очень высоких плотностях тока >100 кА/см2) генерируемые ударные волны, а также термоупругие напряжения, действительно могут оказаться способными увлекать межузельные атомы на существенную глубину.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы, которые состоят в следующем:

2. Построено аналитическое решение уравнения диффузии с переменными коэффициентами с учетом упругого взаимодействия между атомами примеси и мигрирующей границей, образованной полигональной стенкой краевых дислокаций, позволяющее изучать влияние протяженных дефектов на диффузионные процессы.

4. Волны напряжений, генерируемые при обычно используемых режимах облучения поверхности твердых тел пучками заряженных частиц, не увлекают межузельные атомы на большие глубины от облучаемой поверхности. Их роль в усилении процессов массопереноса состоит, главным образом, в том, что они создают в обрабатываемом материале высокую плотность перестраивающихся протяженных дефектов, диффузия примесных атомов по которым ускоряется.

5. С увеличением количества импульсных воздействий мощным пучком ионов ослабление эффекта усиленного переноса вещества на больших глубинах объясняется высокой плотностью закрепленных протяженных дефектов. Из-за быстрого остывания образца эти дефекты не успевают отжигаться, и повторное прохождение волн напряжений той же амплитуды оказывается уже не способным привести к такой перестройке дефектной структуры и сопровождающему ее усилению массопереноса, как при первом воздействии. Поэтому наиболее существенные изменения концентрационных профилей, полученных после повторных воздействий, происходят преимущественно в тонком поверхностном слое.

6. Наблюдаемые после многократных импульсных воздействий мощным ионным пучком неоднородности концентрационных профилей перераспределенных атомов по глубине обусловлены термодиффузионным потоком.

7. Показано, что построенная модель переноса вещества может быть применена для расчета концентрационных профилей диффундирующих атомов при высокоскоростных импульсных механических воздействиях. В этом случае с повышением температуры образца влияние количества нагружений на миграцию атомов становится более выраженным из-за того, что протяженные дефекты в процессе обработки становятся подвижнее.

8. Максимальное увеличение подвижности диффундирующих атомов происходит при таких энергетических воздействиях (и такой температуре), которые поддерживают наибольшую плотность перестраивающихся протяженных дефектов в материале. Поэтому исследуемый эффект характерен только для твердого состояния.

В конце работы приводятся рекомендации, к практическому

применению полученных результатов.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

1. Геринг Г.И., Вершинин Г.А., Субочева Т.В., Полещенко К.Н., Повороз-нюк С.Н. Изменение структуры, фазового и элементного состава сплавов системы WC-Co при воздействии слаботочными и сильноточными ионными пучками // Тезисы докладов IV Всерос. семинара "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" (Нижний Новгород, 9-11 июня 1998 г.). - Нижний Новгород: Изд-во ННГУ, 1998. - С. 65-66.

2. Вершинин Г.А., Полещенко К.Н., Поворознюк С.Н., Субочева Т.В. Зер-нограничная диффузия в гетерогенных материалах при высокодозовой ионной имплантации // Труды 9 Межнац. совещания "Радиационная физика твёрдого тела" (Севастополь, 28 июня - 3 июля 1999 г.). - М.: Изд-во НИИ ПМТ при МГИЭМ (ТУ), 1999. - С. 617-625.

3. Вершинин Г.А., Кеба В.В., Полещенко К.Н., Субочева Т.В. Моделирование явлений массопереноса в гетерогенных материалах при высокоинтенсивном ионно-лучевом воздействии // Материалы 10-й Междун. конф. по радиац. физике и химии неорг. материалов (РФХ-10, Томск, 21-25 сентября 1999 г.). - Томск: Изд-во ТПУ, 1999. - С. 110-111.

4. Вершинин Г.А., Полещенко К.Н., Поворознюк С.Н, Кеба В.В., Субочева Т.В. Массоперенос в гетерогенных материалах при воздействии высокоинтенсивными пучками заряженных частиц // Поверхность. Рентгеновские, синхронные и нейтронные исследования. - 2000. - № 5. - С. 32-35.

5. Vershinin G.A., Poleshchenko K.N., Povoroznyuk S.N., Keba V.V., Subo-cheva T.V. Mass transfer in heterogeneous materials under irradiation with high-intensity beams of charged particles // Surface Investigation. - 2001. -V. 16. -P. 761-767.

6. Вершинин Г.А., Мамонов A.B., Полещенко K.H., Субочева Т.В. Моделирование термомеханических процессов в металлических системах, облучаемых импульсными сильноточными пучками частиц // Тезисы докладов XXX Междун. конф. по физике взаимод. заряж. частиц с кристаллами (Москва, 29-31 мая, 2000 г.). - М: Изд-во Моск. ун-та, 2000. - С. 108.

7. Вершинин Г.А., Геринг Г.И., Субочева Т.В. Волновой механизм массопереноса в металлических системах при многократном импульсном воздействии // Вестник Омского университета. — 2001. - № 4. — С. 22-24.

8. Вахний Т.В., Вершинин Г.А., Геринг Г.И. Описание массопереноса в металлических системах при многократном импульсном воздействии // Тезисы докладов Региональной научной конф. студентов, аспирантов, молодых ученых (Новосибирск, 11-13 декабря 2001 г.). - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. - Ч. 3. - С. 133-134.

9. Вахний Т.В., Вершинин Г.А., Геринг Г.И. Влияние радиационно-стимулированной миграции границ зерен на массоперенос в металлических системах // Труды III Междун. конф. "Радиационно-термические

эффекты и процессы в неорганических материалах" (Горный Алтай, 29 июля - 3 августа 2002 г.). - Томск: Изд-во ТПУ, 2002. - С. 34-36.

10. Вершинин Г.А., Вахний Т.В. Влияние миграции границ зерен на формирование концентрационных профилей имплантированной примеси // Поверхность. Рентгеновские, синхронные и нейтронные исследования. -2003.-№5.-С. 18-21.

11. Вахний Т.В., Вершинин Г.А., Геринг Г.И. К интерпретации усиленного массопереноса в поликристаллах при высокоинтенсивных воздействиях пучками частиц // Тезисы докладов XXXIII Междун. конф. по физике взаимод. заряж. частиц с кристаллами (Москва, 26-28 мая 2003 г.). - М.: Изд-во УНЦ ДО, 2003. - С, 111.

12. Полещенко К.Н., Вершинин Г.А., Козорог И.Б., Агафонов A.JL, Повороз-нюк С.Н., Вахний Т.В. Глубинное упрочнение металлокерамических композитов при воздействии ионными пучками // Тезисы докладов XXXIII Междун. конф. по физике взаимод. заряж. частиц с кристаллами (Москва, 26-28 мая 2003 г.). - М.: Изд-во УНЦ ДО, 2003. - С. 109.

13. Вахний Т.В., Вершинин Г.А., Геринг Г.И., Писчасов Н.И. Усиленный массоперенос при импульсных воздействиях на металлические системы // Вестник Омского университета. — 2003. — № 3. - С. 30-32.

14. Вахний Т.В., Вершинин Г.А., Геринг Г.И., Кайдалов A.C. Моделирование массопереноса в гетерогенных системах при многократных импульсных воздействиях пучками частиц // Тезисы докладов XXXIV Междун. конф. по физике взаимод.. заряж. частиц с кристаллами (Москва, 31 мая -2 июня 2004 г.). - М.: Изд-во УНЦ ДО, 2004. - С. 125.

15. Вахний Т.В., Вершинин Г.А., Геринг Г.И. Интерпретация наблюдаемого массопереноса в металлических системах при многократных импульсных воздействиях // Тезисы докладов XXXV Междун. конф. по физике взаимод. заряж. частиц с кристаллами (Москва, 31 мая - 2 июня 2005 г.). - М.: Изд-во УНЦ ДО, 2005. - С. 182.

16. Вахний Т.В., Вершинин Г.А. Описание массопереноса в металлических системах при воздействии концентрированными потоками энергии // Тезисы докладов III Всерос. научной молодежной конф. "Под знаком сигма" (Омск, 4-6 июля 2005 г.). - 2005. - С. 99-100.

17. Вахний Т.В. Анализ массопереноса при прохождении ударных волн // Материалы Всерос. научной конф. молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации" (НТИ-2005) (Новосибирск, 8-11 декабря 2005 г.). - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. - Ч. 2. - С. 183-185.

18. Вахний Т.В., Вершинин Г.А. Интерпретация массопереноса в металлических материалах при высокоэнергетических воздействиях ионными пучками // Материалы 3-й Всерос. конф. молодых ученых "Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии" (Томск, 3-6 марта

2006 г.). - Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2006. -С. 79-82.

19. Вахний Т.В., Вершинин Г.А., Геринг Г.И. Роль зернограничной диффузии в формировании концентрационных полей в металлических системах при высокоэнергетических воздействиях ионными пучками // Тезисы докладов XXXVI Междун. конф. по физике взаимод. заряж. частиц с кристаллами (Москва, 30 мая — 1 июня 2006 г.). - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2006.-С. 115.

20.. Vahniy T.V., Vershinin G.A., Gering G.I. Mass Transfer in Metal Materials under High-Energy Irradiation // Изв. вузов. Физика. - 2006. — № 8. - Приложение. - С. 238-240.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Каур И.,-Густ В. Диффузия по границам зёрен и фаз. — М.: Машиностроение, 1991.-448 с.

2. Диденко А.Н., Шаркеев Ю.П., Козлов Э.В., Рябчиков А.И. Эффекты дальнодействия в ионно-имплантированных металлических материалах. — Томск: Изд-во НТЛ, 2004. - 328 с.

3. Любов Б.Я. Диффузионные процессы в неоднородных твердых средах. — М.: Наука, 1981.-296 с.

4. Макарец Н.В., Фалько Г.Л., Федорченко A.M. Стационарные концентрации и предельные дозы ионно-имплантированных примесей // Поверхность. Физика, химия, механика. - 1985. - № 1. - С. 116-119.

5. Таран A.A., Батуричева З.Б., Чайковский Э.Ф. Изменение дислокационной структуры в монокристаллах вольфрама, облученных ионами аргона // Поверхность. Физика, химия, механика. - 1988. - № 2. - С. 146-149.

6. Диденко А.Н., Кривобоков В.П. Миграция атомов в металлах под действием сильноточных наносекундных ионных пучков // Журнал технической физики. - 1988. - Т. 58. - № 10. - С. 2002-2009.

7. Фридман А. Уравнения с частными производными параболического типа. -М.: Мир. 1968.-427 с.

8. Герцрикен Д.С. Мазанко В.Ф., Фальченко В.М. Импульсная обработка и массоперенос в металлах при низких температурах. — Киев: Наукова думка, 1991.-203 с.

9. Мазанко В.Ф., Филатов A.B., Ворона С.П. Перераспределение атомов в объеме металла в условиях импульсного воздействия // Металлофизика и новейшие технологии. - 1995. — Т. 17. — № 9. — С. 74-76.

10. Бекренев А.Н., Эпштейн Г.Н. Последеформационные процессы высокоскоростного нагружения. — М.: Металлургия, 1992. - 159 с.

ВАХНИЙ ТАТЬЯНА ВЛАДИМИРОВНА

МОДЕЛИРОВАНИЕ МАССОПЕРЕНОСА В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ИОННЫМИ ПУЧКАМИ

01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано к печати 30.10.2006. Формат бумаги 60x84 1/16. Печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 120 экз. Заказ 389.

Издательство ОмГУ

644077, г. Омск-77, пр. Мира, 55а, госуниверситет

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Вахний, Татьяна Владимировна

Введение.

1. Эволюция дефектной структуры и особенности диффузионных процессов при энергетических воздействиях на металлические материалы (литературный обзор).

1.1. Изменение структурного состояния и элементного состава металлических материалов при радиационных воздействиях.

1.2. Основные модели и предполагаемые механизмы усиления переноса атомов в металлах и сплавах при ионной имплантации.

1.3. Процессы массопереноса при облучении металлических материалов мощными импульсными пучками заряженных частиц.

1.4. Влияние скорости пластической деформации на диффузионную подвижность атомов.

1.5. Особенности переноса вещества в металлах и сплавах при многократных импульсных нагружениях.

1.6. Диффузионные процессы при нагревании твердых тел с различной плотностью протяженных дефектов структуры.

1.7. Постановка задач исследования.

2. Усиленный массоперенос при облучении металлических материалов в режиме ионной имплантации.

2.1. Массоперенос в структурно-неоднородных материалах.

2.1.1. Радиационно-стимулированная диффузия.

2.1.2. Перенос вещества в поликристаллических материалах.

2.1.3. Учет взаимодействия примеси с протяженным структурным дефектом.

2.2. Потенциал взаимодействия примесных атомов с полигональной стенкой краевых дислокаций.

2.3. Математическая модель зернограничной диффузии.

2.4. Моделирование переноса вещества в результате межзеренной диффузии и анализ полученных результатов.

2.5. Математическая модель диффузии примесных атомов по мигрирующим границам зерен.

2.6. Результаты моделирования концентрационных профилей имплантированной примеси и сопоставление с экспериментом.

2.7. Выводы.

3. Перераспределение атомов при мощных импульсных воздействиях ионными пучками на металлические системы.

3.1. Основные факторы, влияющие на микроструктуру металлических материалов при мощных импульсных воздействиях пучками заряженных частиц.

3.2. Уравнение диффузии, учитывающее термо- и бародиффузионные потоки.

3.3. Расчет генерируемых облучением пространственно-временных полей температуры и напряжения.

3.4. Результаты моделирования концентрационных профилей и их анализ.

3.5. Вклад диффузии по мигрирующим протяженным дефектам в формирование концентрационного профиля.

3.6. Результаты моделирования перераспределения атомов в процессе облучения и сравнение с экспериментом.

3.7. Перенос вещества в металлических материалах при многократных импульсных воздействиях мощным ионным пучком.

3.8. Моделирование диффузионных процессов в металлах при высокоскоросных импульсных механических воздействиях.

3.9. Массоперенос в поле ударных волн.

3.10. Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Моделирование массопереноса в металлических материалах при облучении ионными пучками"

Получение материалов с улучшенными физико-механическими свойствами является важной проблемой машиностроения, энергетики, химической промышленности и ряда областей современной техники. Во многих случаях повышение долговечности и надежности различных деталей и инструмента может быть достигнуто путем изменения химического состава и структуры лишь поверхностного слоя. Для модификации поверхности в настоящее время широко применяется радиационная обработка материалов. Хорошо себя зарекомендовала ионная имплантация, позволяющая внедрить в приповерхностную область мишени практически любой элемент в контролируемых дозах. Также наряду с непрерывным облучением материалов л ионными пучками (имплантацией) (плотность тока у =0,5-50 мкА/см) используются импульсные пучки, с помощью которых можно проводить

2 6 2 высокоинтенсивное облучение (в интервале ~ 10 - 10° мкА/см , а в случае О мощных ионных пучков до 2-10 мкА/см ). Принципиальной, по сравнению с ионной имплантацией, особенностью воздействия мощных импульсных ионных пучков является наличие порождаемых высокими градиентами температур термоупругих напряжений, а в случае высокоинтенсивных - еще и ударных волн, генерируемых импульсом отдачи при разлете паров испаряющегося слоя.

Несмотря на накопленный к настоящему времени достаточно обширный экспериментальный и теоретический материал, возможности радиационной обработки в полной мере еще не исчерпаны, что связано, в частности, с недостаточным пониманием процессов, протекающих в твердом теле в условиях облучения. К числу наименее понятных явлений, наблюдаемых при воздействии на поверхность металлов и сплавов ионными пучками, относится явление аномально глубоких (по сравнению с длиной пробега внедряемых | частиц) модификаций физико-химических и механических свойств облучаемых материалов, сопровождающихся значительными структурными изменениями и усиленными процессами переноса вещества, получившее название эффект дальнодействия. Различные проявления этого эффекта наблюдаются не только при сравнительно высоких или комнатных температурах, но даже при температуре жидкого азота [1-3]. Кроме того, температурная зависимость аномального массопереноса может иметь возрастающий с понижением температуры характер, что не позволяет объяснить природу этого явления в рамках обычной термически активируемой диффузии.

В большинстве случаев, когда наблюдался указанный эффект, через металлический образец проходили возбуждаемые при энергетических воздействиях волны напряжений, в результате взаимодействия которых с системой протяженных дефектов (дислокациями, дефектами упаковки, границами зерен и субзерен) изменялось пространственное распределение и плотность последних. Имеющий место при этом аномальный перенос вещества, по-видимому, каким-то образом связан с перестройкой дефектной структуры материала. Подобное усиление диффузионных процессов наблюдается и при нагревании (главным образом на начальном этапе) сильнодеформированных материалов [4-6]. А при нагреве дефекты структуры, как известно, перемещаются таким образом, чтобы накопленная упругая энергия системы уменьшалась [7] (отжиг [8]), в результате чего понижается плотность дислокаций. Причем более существенная перестройка дефектной структуры и увеличение скорости переноса диффундирующих атомов наблюдаются в кристаллах, деформированных во время термообработки [9]. Экспериментальные исследования [10] также показывают, что повышение плотности дислокаций приводит к возрастанию скорости миграции атомов по сравнению со скоростью в отожженных образцах, а при дальнейшем увеличении плотности дислокаций - снижается подвижность примесных атомов, что, по-видимому, объясняется ростом числа точек закрепления протяженных дефектов. Возможно, по этой причине изучаемый эффект не наблюдается при ионной имплантации сильнодеформированных и аморфных материалов [11,12].

В обрабатываемом мощным импульсным ионным пучком материале для анализа влияния на массоперенос поведения протяженных дефектов нужно знать динамику температурного поля, поскольку им определяется подвижность [13] и плотность подвижных и неподвижных дефектов. Также нужно учитывать, что при больших скоростях охлаждения сильно нагретого материала сохраняется сущность его высокотемпературного состояния вплоть до низких температур [14] (закалка). Скорее всего, аномальный массоперенос и его неоднозначная температурная зависимость обусловлены количеством перестраивающихся протяженных дефектов.

Существующие экспериментальные работы по исследованию диффузионных процессов в металлических материалах при обработке их поверхности пучками заряженных частиц не являются исчерпывающими для понимания природы наблюдаемого эффекта. Известные на сегодняшний день теории также не позволяют в полной мере объяснить проникновение диффундирующих атомов на глубины, значительно превосходящие проективный пробег внедряемых частиц. В связи с этим возникает необходимость в изучении влияния подвижности протяженных дефектов структуры на перераспределение примесных атомов в твердых телах при радиационных воздействиях. Особенно актуально численное моделирование процессов переноса вещества при распространении в материале упругих волн, а также в случае прохождения через металлический образец ударных волн большой амплитуды. Понимание природы усиленного массопереноса позволит более эффективно использовать облучение поверхности пучками заряженных частиц для создания материалов с заданным комплексом физико-механических свойств.

Поэтому целью настоящей диссертационной работы являлось выявление основных механизмов и интерпретация наблюдаемых закономерностей массопереноса на аномально большие глубины при облучении металлических материалов ионными пучками различной интенсивности. Для достижения указанной цели в диссертации ставились следующие задачи. 1. Исследовать влияние подвижности протяженных дефектов на диффузионные процессы при ионном облучении металлов и сплавов. 2. Построить физико-математическую модель переноса вещества в металлических материалах, подвергаемых воздействиям ионными пучками различной интенсивности. 3. Численно проверить возможность увлечения примесных атомов упругими и ударными волнами, генерируемыми при облучении поверхности металлов пучками заряженных частиц. 4. На основе модельных расчетов дать интерпретацию появления длиннопробежных "хвостов" концентрационных профилей диффундирующих атомов при радиационных воздействиях на металлические материалы.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1) Предложена физико-математическая модель переноса вещества в поликристаллических металлических материалах, подвергаемых воздействиям ионными пучками различной интенсивности, в которой наряду с прямой объемной диффузией от облучаемой поверхности, учитывается диффузия по мигрирующим границам зерен, взаимодействующим с примесью.

2) Построено аналитическое решение уравнения диффузии с переменными коэффициентами с учетом упругого взаимодействия между атомами примеси и мигрирующей границей, позволяющее изучать влияние протяженных дефектов на диффузионные процессы.

3) Путем моделирования показано, что длиннопробежные "хвосты" концентрационных профилей диффундирующих атомов при радиационных воздействиях в поликристаллических металлических материалах формируются за счет диффузии по мигрирующим границам зерен и дислокациям.

4) Наблюдаемые закономерности замедления диффузионных процессов на больших глубинах при многократных импульсных воздействиях мощным ионным пучком объяснены образованием высокой плотности закрепленных протяженных дефектов структуры.

5) Показано, что построенная модель переноса вещества может быть применена для расчета концентрационных профилей диффундирующих атомов при высокоскоростных импульсных механических воздействиях.

6) Уточнено влияние на усиление диффузионных процессов волн напряжений, генерируемых при обработке поверхности металлов пучками заряженных частиц.

Предложенная физико-математическая модель переноса вещества позволяет глубже понять механизм усиленного массопереноса в поликристаллических металлических материалах при облучении ионными пучками различной интенсивности. Полученные в работе результаты могут быть применены при анализе концентрационных профилей внедренных или перераспределенных атомов при радиационных воздействиях, а также при разработке новых технологий модификации свойств металлических материалов пучками заряженных частиц. Это определяет научное и практическое значение диссертации.

На защиту выносятся следующие положения:

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 17 научных конференциях (в том числе 11 международных): ежегодной Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1999 - 2006 г.г.); IV Всероссийском семинаре "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" (Нижний Новгород, 9-11 июня 1998 г.); 9-ом Межнациональном совещании "Радиационная физика твёрдого тела" (Севастополь, 28 июня - 3 июля 1999 г.); 10-ой Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов (РФХ-10) (Томск, 21-25 сентября 1999 г.); Региональной научной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых (Новосибирск, 11-13 декабря 2001 г.); III Международной конференции "Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах" (Горный Алтай, 29 июля - 3 августа 2002 г.); III Всероссийской научной молодежной конференции "Под знаком сигма" (Омск, 4-6 июля 2005 г.); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации" (НТИ-2005) (Новосибирск, 8-11 декабря 2005 г.); Третьей конференции молодых ученых "Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-ем тысячелетии" (Томск, 3-6 марта 2006 г.); 8nd

International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Tomsk, Russia, 10- 15 September, 2006).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 работ, наиболее значимыми из которых являются следующие.

1. Вершинин Г.А., Полещенко К.Н., Поворозшок С.Н, Кеба В.В., Субочева Т.В. Массоперенос в гетерогенных материалах при воздействии высокоинтенсивными пучками заряженных частиц // Поверхность. Рентгеновские, синхронные и нейтронные исследования. - 2000. - № 5. - С. 32-35. Vershinin G.A., Poleshchenko K.N., Povoroznyuk S.N., Keba V.V., Subocheva T.V. Mass transfer in heterogeneous materials under irradiation with high-intensity beams of charged particles // Surface Investigation. - 2001. - V. 16. -P. 761-767.

В данных работах автором изучено влияние упругого взаимодействия примесных атомов с границей зерна на диффузионную проницаемость границы; рассчитаны модельные концентрационные профили имплантированных атомов циркония с учетом зернограничной диффузии в твердом сплаве ВК8.

2. Вершинин Г.А., Вахний Т.В. Влияние миграции границ зерен на формирование концентрационных профилей имплантированной примеси // Поверхность. Рентгеновские, синхронные и нейтронные исследования. -2003.-№5.-С. 18-21.

В данной работе автором получено аналитическое решение уравнения диффузии с переменными коэффициентами, в котором учитывается взаимодействие примесных атомов с мигрирующей границей зерна. Показано, что по мигрирующим протяженным дефектам возможно значительное ускорение диффузионных процессов. Данное решение было применено для описания экспериментально наблюдаемых при ионной имплантации длиннопробежных "хвостов" концентрационных профилей.

3. Вахний Т.В., Вершинин Г.А., Геринг Г.И., Писчасов Н.И. Усиленный массоперенос при импульсных воздействиях на металлические системы // Вестник Омского университета. - 2003. - № 3. - С. 30-32.

В работе автором реализована новая физико-математическая модель переноса вещества в металлических материалах, подвергаемых импульсным воздействиям мощными ионными пучками, в которой наряду с объемной диффузией под действием градиентов концентрации, температуры и давления конкурирует диффузия примесных атомов по мигрирующим границам зерен (дислокационным трубкам), взаимодействующим с примесью. Модельные расчеты концентрационных профилей сопоставляются с экспериментальными данными перераспределения атомов пленки в металлическую подложку в условиях импульсной обработки пучками заряженных частиц.

4. Вахний Т.В. Анализ массопереноса при прохождении ударных волн // Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации" (НТИ-2005) (Новосибирск, 8-11 декабря 2005 г.). - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. - Ч. 2. - С. 183-185.

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

Основные результаты и выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

5. С увеличением количества импульсных воздействий мощным пучком ионов ослабление эффекта усиленного переноса вещества на больших глубинах объясняется высокой плотностью закрепленных протяженных дефектов. Изза быстрого остывания образца эти дефекты не успевают отжигаться, и повторное прохождение волн напряжений той же амплитуды оказывается уже не способным привести к такой перестройке дефектной структуры и сопровождающему ее усилению массопереноса, как при первом воздействии. Поэтому наиболее существенные изменения концентрационных профилей, полученных после повторных воздействий, происходят преимущественно в тонком поверхностном слое.

Кроме теоретического значения, полученные в данной диссертационной работе результаты, могут иметь и практическое приложение. Как указывалось ранее, диффузионное насыщение поверхностных слоев изделий различными элементами улучшает их физико-механические свойства. Использование существующих методов облучения поверхности металлических материалов пучками заряженных частиц позволяет создавать диффузионные слои размером, порядка нескольких микрометров. Однако финишные операции обработки изделий практически ликвидируют эту зону. Поэтому требуется научиться получать диффузионные зоны больших размеров. Результаты проведенного теоретического исследования позволяют предсказать, как существенно увеличить глубину проникновения внедряемых атомов.

Поскольку наибольшее увеличение диффузионной подвижности примесных атомов происходит при максимально возможной плотности подвижных протяженных дефектов в материале, то нужно облучать в режиме ионной имплантации образцы, нагретые до такой температуры, при которой выполнялось бы это условие в процессе обработки. Это позволит заметно увеличить глубину модифицированного слоя.

При мощном импульсном воздействии пучками заряженных частиц на металлические системы пленка-подложка наблюдается усиленный перенос атомов пленки в подложку. С увеличением количества воздействий эффект усиления переноса вещества ослабевает. Как следует из проведенных расчетов, это происходит потому, что плотность протяженных дефектов после прохождения волны напряжения становится высокой, и повторное прохождение волны напряжения той же амплитуды оказывается уже не способным привести к такой перестройке дефектной структуры и сопровождающему ее усилению переноса вещества, как при первом воздействии. Поэтому, если перед каждым повторным воздействием отжигать образец, то волна напряжений окажется способной перестраивать большое количество протяженных дефектов. В результате аномальный массоперенос можно ожидать после каждого импульсного воздействия. Тогда атомы пленки смогут проникнуть в подложку после нескольких импульсов на гораздо большую глубину. Этот подход можно применить и при других видах импульсных воздействий на поверхность металлических материалов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Вахний, Татьяна Владимировна, Омск

1. Пивоваров А.Л. Эффект дальнодействия при облучении металлов ионно-плазменными потоками // Металлофизика и новейшие технологии. 1994. -Т. 16. - № 12.-С. 3-17.

2. Цурин В.А., Соркин A.M., Филиппова Н.П., Павлов В.А. Аномальный массоперенос в сплаве Fe7oNi27Mn3 при облучении протонами низких энергий // Поверхность. Физика, химия, механика. 1992. - № 4. -С. 122-124.

3. Герцрикен Д.С., Коваль Ю.Н., Тышкевич В.М., Фальченко В.М. Особенности массопереноса в железе, никеле и их сплаве при низких температурах // Диффузионные процессы в металлах. Тула: ТПИ, 1982. -С. 120-133.

4. Бекренев А.Н., Васильев А.Д. Дислокационный механизм диффузии в монокристаллической системе Pd/Ag // Известия высших учебных заведений. Физика. 1996. - № 8. - С. 116-118.

5. Бекренев А.Н., Васильев А.Д. Низкотемпературная диффузия в крупнокристаллических пленках в эпитаксиальных системах Ni/Cu и Pd/Ag // Металлофизика. 1992. - Т. 14. -№ 3. - С. 91-93.

6. Vasilyev A.D., Bekrenev A.N. Influence of free surface and interfaces on diffusion coefficients in Pd-Ag and Pd-Au polycrystalline thin films systems // Applied Surface Science.-2000.-V. 161.-P. 14-19.

7. Фридель Ж. Дислокации. M.: Мир, 1967. - 643 с.

8. Физическое металловедение / Под ред. Р.У. Канна, П. Хаазена. М.: Металлургия, 1987.-Т. 3. - 661 с.

9. Долженков И.Е., Лоцманова И.Н., Андрианова И.И. Влияние совместного воздействия пластической деформации и повышенных температур на диффузионную подвижность углерода // Известия Академии наук. Металлы. 1973.-№ 1.-С. 227-232.

10. Король В.М., Заставной А.В. Особенности перераспределения натрия в кремнии при постимплантационном отжиге // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2001. - № 5. - С. 74-78.

11. Вальковский С.Н., Надгорный Э.М. Температурная зависимость подвижности дислокаций в MgO // Физика твердого тела. 1975. - Т. 17. — №9.-С. 2603-2608.

12. Дефекты в закаленных металлах / Под ред. А.А. Цветаева. М.: Атомиздат, 1969.-384 с.

13. Хмелевская B.C., Малынкин В.Г., Канунников М.Ю. Эффект дальнодействия как проявление коллективного взаимодействия в облучаемой металлической системе // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2003. - № 7. - С. 66-70.

14. Гусева М.И., Смыслов A.M. Эффект дальнодействия при имплантации ионов N-г, В+ и С+ в титановый сплав // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2000. - № 6. - С. 68-71.

15. Sharkeev Yu.P., Kozlov E.V., Didenko A.N., et.al. The mechanisms of the long-range effect in metals and alloys by ion implantation // Surface and Coatings Technology. 1996. - V. 83. - P. 15-21.

16. Диденко А.Н., Козлов Э.В., Шаркеев Ю.П. и др. Дислокационные структуры приповерхностных слоев чистых металлов после ионной имплантации // Поверхность. Физика, химия, механика. 1989.-№3.-С. 120-131.

17. Pogrebnjak A.D., Bakharev O.G., Pogrebnjak N.A., et.al. Certain features of high-dose and intensive implantation of A1 ions in iron // Physics Letters A. 2000. -V. 265.-P. 225-232.

18. Pogrebnyak A.D. Metastable States and Structural Phase Changes in Metals and Alloys Exposed to Height Power Pulsed Ion Beams // Phys. stat. sol. (a). 1990. -V. 117.-P. 17-51.

19. Pogrebnjak A.D., Shablya V.T., Sviridenko, et.al. Study of deformation states in metals exposed to intense-pulsed-ion beams (IPIB) // Surface and Coatings Technology. 1999. - V. 111. - P. 46-50.

20. Гусева М.И. Ионная имплантация в металлах // Поверхность. Физика, химия, механика. 1982. - № 4. - С.27-50.

21. Козырь И.Г., Цыганов И.А., Шаршаков И.М. К вопросу об эффекте дальнодействия при ионной имплантации // Физика и химия обработки материалов. 1996. - № 2. - С. 5-8.

22. Павлов П.В., Скупов В.Д., Тетельбаум Д.И. О роли механических напряжений и упругих волн в структурных превращениях в кристаллах при ионной бомбардировке и последующем отжиге // Физика и химия обработки материалов. 1987. - № 6. - С. 19-24.

23. Шаркеев Ю.П., Диденко А.Н., Козлов Э.В. Дислокационные структуры и упрочнение ионно-имплантированных металлов и сплавов // Известия высших учебных заведений. Физика. 1994. -№ 5. - С. 92-108.

24. Павлов П.В., Семин Ю.А., Скупов В.Д., Тетельбаум Д.И. Ударно-акустические эффекты в кристаллах при ионном облучении // Физика и химия обработки материалов. 1991. - № 6. - С. 53-57.

25. Диденко А.Н., Шаркеев Ю.П., Козлов Э.В., Рябчиков А.И. Ионная имплантация и "эффект дальнодействия" в поликристаллическом a-Fe // Металлы. 1993.-№3.-С. 122-129.

26. Коротаев А.Д., Тюменцев А.Н., Почивалов Ю.И. и др. Дефектная субструктура в металлах на различной глубине от поверхности воздействия мощных ионных пучков // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 1998.-№ 1.-С. 108-117.

27. Ремнев Г.Е., Иванов Ю.Ф., Опекунов М.С., Пузыревич А.Г. Дефектообразование в стали при однократном и периодическом воздействии мощных импульсных ионных пучков // Письма в ЖТФ. 1995. - Т. 21. -№24.-С. 60-65.

28. Романов И.Г., Царева И.Н. Модификация свойств поверхностных слоев алюминооксидной керамики под действием мощных ионных пучков // Письма в ЖТФ. 2001. - Т. 27. - № 16. - С. 65-70.

29. Земский С.В., Рябчиков Е.А., Эпштейн Г.Н. О массопереносе углерода под действием ударной волны // Физика металлов и металловедение. 1978. -Т. 46. - № 1.-С. 197-198.

30. Зворыкин Л.О., Мазанко В.Ф., Пашков П.О. и др. Влияние амплитуды ударной волны на подвижность атомов в молибдене и меди // Металлофизика. 1984. - Т. 6. - № 1. - С. 118.

31. Бойко В.И., Валяев А.Н., Погребняк А.Д. Модификация металлических материалов импульсными мощными пучками частиц // Успехи физических наук.- 1999.-Т. 169.-№ 11.-С. 1243-1271.

32. Pogrebnjak A.D., Remnev G.E., Romanov I.G. Physical and mechanical changes in HPIB-irradiated steels//Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 1989.-V. B43.-P.41-45.

33. Иванов Ю.Ф., Итин В.И., Лыков C.B. и др. Диссипация энергии волны напряжений и структурные изменения в сталях, облученных импульсным электронным пучком // Доклады Академии наук СССР. 1991. - Т. 321. -№6.-С. 1192-1196.

34. Филатов А.В. О возможных путях реализации процесса массопереноса в ударных волнах // Диффузионные процессы в металлах. Тула: ТПИ, 1989. -С. 85-92.

35. Смирнов Л.И. Перенос атомов внедрения в металлах упругой волной // Физика металлов и металловедение. 2000. - Т. 89. - № 4. - С. 10-14.

36. Смирнов Л.И., Гольцов В.А. Динамика систем металл-водород в континуальном приближении и некоторые водородоупругие эффекты // Физика металлов и металловедение. 1997. - Т. 84. - № 6. - С. 47-56.

37. Bekrenev A.N. Mass transport in metals under intensive impulse reactions // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2002. - V. 63. - P. 1627-1631.

38. Васильев А.Д. Исследование механизма диффузионного массопереноса под действием микросекундных механических импульсов в системе Pd/Ag // Известия вузов. Физика. 1997.-№ 10.-С. 99-102.

39. Sharkeev Yu.P., Kozlov E.V., Didenko A.N. Defect structures in metals exposed to irradiation of different nature // Surfase and Coatings Technology. 1997. -V. 96.-P. 95-102.

40. Таран A.A., Батуричева З.Б., Чайковский Э.Ф. Изменение дислокационной структуры в монокристаллах вольфрама, облученных ионами аргона // Поверхность. Физика, химия, механика. 1988. -№ 2. - С. 146-149.

41. Блейхер Г.А., Кривобоков В.П., Пащенко О.В. Тепломассоперенос в твердом теле под действием мощных пучков заряженных частиц. Новосибирск: Наука, 1999.-176 с.

42. Kozlov E.V., Ryabchikov A.I., Sharkeev Yu.P., et.al. Formation of intermetallic layers at high intensity ion implantation // Surface and Coatings Technology.2002.-V. 158-159.-P. 343-348.

43. Шаркеев Ю.П., Рябчиков А.И., Козлов Э.В. и др. Высокоинтенсивная ионная имплантация метод формирования мелкодисперсных интерметаллидов в поверхностных слоях металлов // Известия вузов. Физика. - 2004. - № 9. -С. 44-52.

44. Козлов Э.В. Шаркеев Ю.П., Фортуна С.В. и др. Фазовый анализ поверхностных слоев никеля, имплантированного алюминием // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования.2003.-№7.-С. 29-33.

45. Лариков Л.Н., Мазанко В.Ф., Фальченко В.М. Исследование процесса переноса атомов в металлах в условиях скоростной пластической деформации // Влияние дефектов на свойства твердых тел. Куйбышев: КГУ, 1981.-С. 5-11.

46. Лариков Л.Н., Фальченко В.М., Мазанко В.Ф. и др. Аномальное ускорение диффузии при импульсном нагружении металлов // Доклады Академии наук СССР. Серия Математика и физика. 1975. - Т. 221. - № 5. - С. 1073-1075.

47. Лариков Л.Н., Мазанко В.Ф., Фальченко В.М. Массоперенос в металлах при импульсном нагружении // Физика и химия обработки материалов. 1983. -№6.-С. 144-145.

48. Лариков Л.Н., Рябов В.Р., Фальченко В.М. Диффузионные процессы в твердой фазе при сварке. М.: Машиностроение, 1975. - 192 с.

49. Блейхер Г.А., Кривобоков В.П., Пащенко О.В., Янин С.Н. Влияние изменения плотности твердого тела на диффузионную подвижность атомов при облучении мощными наносекундными пучками заряженных частиц // Письма в ЖТФ. 1998. - Т. 24. - № 3. - С. 75-79.

50. Корнич Г.В., Бетц Г., Бажин А.И. Моделирование низкоэнергетического ионного перемешивания примесного слоя алюминия в никеле // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. -2000. -№ 10.-С. 32-37.

51. Губарев А.А., Теплов С.В. Моделирование перемешивания слоистых систем при бомбардировке ионами средних энергий // Поверхность. Физика, химия, механика. 1995. - № 5. - С. 31 -39.

52. Журкин Е.Е. Моделирование процессов переноса ионов высоких энергий в веществе // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 1998.-№ 12.-С. 145-149.

53. Абдрашитов В.Г., Рыжов В.В. Моделирование распределения примеси при ионной имплантации // Известия вузов. Физика. 1994. - № 5. - С. 8-22.

54. Кривобоков В.П., Пащенко О.В. Математическая модель процессов переноса атомов в металлах при ионном облучении // Журнал технической физики. -1991.-Т. 61.-№3.-С. 188-191.

55. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. М.: Металлургия, 1990. -216с.

56. Диденко А.Н., Лигачев А.Е., Куракин И.Б. Воздействие пучков заряженных частиц на поверхность металлов и сплавов. М.: Энергоатомиздат, 1987. -184 с.

57. Аброян И.А., Андронов А.Н., Титов А.И. Физические основы электронной и ионной технологии. М.: Высшая школа, 1984. - 320 с.

58. Морозов Н.П., Тетельбаум Д.И. Глубокое проникновение радиационных дефектов из ионно-имплантированного слоя в объем полупроводников // Физика и техника полупроводников. 1983.-Т. 17-№5.-С. 838-842.

59. Скупов В.Д., Тететльбаум Д.И. О влиянии упругих напряжений на трансформацию скоплений дефектов в полупроводниках // Физика и техника полупроводников. 1987. - Т. 21. - № 8. - С. 1495-1497.

60. Мартыненко Ю.В., Московкин П.Г. Ускорение диффузии ионноимплантированной примеси при больших дозах // Журнал технической физики. 1986. - Т. 61. - № 1. - С. 179-180.

61. Мартыненко Ю.В., Московкин П.Г. Механизмы изменения глубоких слоев твердого тела при ионной бомбардировке // Поверхность. Физика, химия, механика. 1991. - № 4. - С. 44-50.

62. Wang L.M., Wang S.X., Ewing R.C., et.al. Irradiation-indused nanostructures // Materials Science and Engineering. 2000. - V. A286. - P. 72-80.

63. Криштал M.A., Дубровский Р.И., Степанова О.В. Исследование диффузии меди в железе в процессе деформации // Физика и химия обработки материалов. 1973. - № 6. - С. 88-93.

64. Каур И., Густ В. Диффузия по границам зёрен и фаз. М.: Машиностроение, 1991.- 448 с.131 v

65. Колобов Ю.Р. Диффузионно-контролируемые процессы на границах зерен и пластичность металлических поликристаллов. Новосибирск: Наука, 1998. -184 с.

66. Любов Б.Я. Диффузионные процессы в неоднородных твердых средах. М.: Наука, 1981.-296 с.

67. Лариков Л.Н. Диффузионные процессы в нанокристаллических материалах // Металлофизика и новейшие технологии. 1995. - Т. 17. - № 1. - С. 3-29.

68. Афанасьев Н.И. Индуцируемая диффузией миграция границ зерен // Поверхность. Физика, химия, механика. 1991.-№ 10.-С. 144-151.

69. Лариков Л.Н., Максименко Е.А., Франчук В.И. Структурные изменения при диффузионном взаимодействии // Металлофизика. 1993. - Т. 15. - № 3. -С. 44-59.

70. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. М.: Атомиздат, 1972. - 599 с.

71. Лариков Л.Н., Франчук В.И., Тихонович В.В., Максименко Е.А. Индуцированная диффузией миграция границ зерен в системе Al-Ga // Металлофизика. 1991. - Т. 13. - № 8. - С. 57-62.

72. Мишин Ю.М., Разумовский И.М. Модель диффузии в движущейся границе зерна // Поверхность. Физика, химия, механика. 1983. - № 7. - С. 5-11.

73. Гостомельский B.C., Ройтбурд А.Л. Дислокационный массоперенос вблизи границы раздела разнородных материалов при их пластической деформации // Доклады Академии наук СССР. 1986. - Т. 288. - № 2. - С. 366-369.

74. Жаринов В.П., Павлычев А.Н. Влияние дислокационного транспорта на диффузию примеси // Физика металлов и металловедение. 1988. - Т.66-№6.-С. 1223-1224.

75. Жаринов В.П., Золотов B.C., Павлычев А.Н. Дислокационное увлечение атомов примеси при диффузии //Металлы. 1988. -№ 2. -С. 155-159.

76. Левинсон И.Б., Маслов Д.Л. Квазигидродинамическое поведение каскадов атомных столкновений // Поверхность. Физика, химия, механика. 1987. -№4.-С. 5-7.

77. Ханнанов Ш.Х. Коллективный механизм массопереноса в поверхностных слоях облучаемых материалов // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. -2001. -№ 12. С. 73-76.

78. Инденбом B.J1. Новая гипотеза о механизме радиационно-стимулированных процессов // Письма в ЖТФ. 1979. - Т. 5. - № 8. - С. 489-492.

79. Павлов П.В., Семин Ю.А., Скупов В.Д. Тетельбаум Д.И. Влияние упругих волн, возникающих при ионной бомбардировке, на структурное совершенство полупроводниковых кристаллов // Физика и техника полупроводников. 1986. - Т. 20. - № 3. - С. 503-507.

80. Кривелевич С.А., Крылов П.Н., Юсупов И.З. Возможный механизм глубокого проникновения радиационных дефектов // Высокочистые вещества. 1995. - № 2. - С. 113-118.

81. Бекренев А.Н., Эпштейн Г.Н. Последеформационные процессы высокоскоростного нагружения. М.: Металлургия, 1992. - 159 с.

82. Алтунджи B.C., Любов Б.Я. Влияние взаимодействия малоугловых границ с атомами примеси на процесс межзеренной диффузии // Известия Академии наук СССР. Металлы. 1973. - № 3. - С. 192-196.

83. Герцрикен С.Д., Дехтяр И.Я. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе.- М.: Физматгиз, 1960. 564 с.

84. Лариков Л.Н., Исайчев В.И. Структура и свойства металлов и сплавов. Справочник. Киев: Наукова думка, 1987. - 510 с.

85. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1979.-495 с.

86. Кривобоков В.П., Пащенко О.В., Сапульская Г.А. Компьютерное моделирование эрозии и термомеханических процессов в твердом теле,облучаемом мощными наносекундными пучками заряженных частиц // Известия вузов. Физика. 1993. - № 12. - С. 37-41.

87. Герцрикен Д.С., Игнатенко А.И., Мазанко В.Ф. и др. Определение длительности массопереноса и температуры импульсно-деформируемого металла // Физика металлов и металловедение. 2005. - Т. 99. - № 2. -С. 75-81.

88. Герцрикен Д.С., Мазанко В.Ф., Фальченко В.М. Некоторые закономерности миграции атомов в условиях скоростной пластической деформации // Металлофизика. 1983. - Т. 5. - № 4. - С. 74-80.

89. Голиков В.М., Лазарев В.А., Кулемин А.В. Диффузия углерода в хромникелевой стали в условиях ультразвукового воздействия // Диффузионные процессы в металлах. Тула: ТПИ, 1982.-С. 109-112.

90. Жаринов В.П., Золотов B.C. Диффузия при высокоскоростном деформировании титана // Влияние дефектов на свойства твердых тел. -Куйбышев: КГУ, 1981.-С. 11-14.

91. Лариков Л.Н., Фальченко В.М., Мазанко В.Ф. и др. Особенности массопереноса при сварке железа армко в твердом состоянии с импульсным нагружением // Автоматическая сварка. 1974. - № 5. - С. 19-21.

92. Bekrencv A.N., Kamashev A.V. Features of phase transformations passing and mass transport in metals under intensive external reactions // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2001. - V. 62. - P. 647-651.

93. Бекренев A.H., Федоров Б.Н. Диффузия меди в динамически и статически деформированном никеле // Физика металлов и металловедение. 1984. -Т. 58.-№ 1.-С. 196-197.

94. Герцрикен Д.С., Кривко В.П., Лариков Л.Н. и др. Ускорение диффузионных процессов в железе при многократном ударном нагружении // Физика и химия обработки материалов. 1979. - № 4. - С. 154-156.

95. Герцрикен Д.С. Мазанко В.Ф., Фальченко В.М. Импульсная обработка и массоперенос в металлах при низких температурах. Киев: Наукова думка, 1991.-203 с.

96. Лариков Л.Н., Юрченко Ю.Ф. Тепловые свойства металлов и сплавов. Справочник. Киев: Наукова думка, 1985. - 438 с.

97. Бекренев А.Н., Васильев А.Д. Массоперенос в системе Ag (подложка) -Pd (пленка) под действием механических импульсов микросекундной длительности // Физика и химия обработки материалов. 1996. - № 5. -С. 64-66.

98. Курганов А.Г., Фалько Г.Л., Федорченко A.M. Аналитический расчет распределений радиационных дефектов и примеси при предельных дозах ионного легирования // Физика металлов и металловедение. 1986. — Т. 61.— № 1. - С. 16-20.

99. Макарец Н.В., Фалько Г.Л., Федорченко A.M. Стационарные концентрации и предельные дозы ионно-имплантированных примесей // Поверхность. Физика, химия, механика. 1985. -№ 1.-С. 116-119.

100. Minear R.L., Neison D.G., Gibbons J.F. Enhanced diffusion in Si and Ge by light ion implantation // Journal of Applied Physics. 1972. - V. 8. - N. 43. -P. 3468-3484.

101. Быковский Ю.А., Неволин В.Н., Фоминский В.Ю. Ионная и лазерная имплантация металлических материалов. М.: Энергоатомиздат, 1991. -237 с.

102. Коттрелл А.Х. Дислокации и пластическое течение в кристаллах. М.: Металлу ргиздат, 1958. - 267 с.

103. Маннинг Дж. Кинетика диффузии атомов в кристаллах. М.: Мир, 1971. -277 с.

104. Захаров С.М., Лариков J1.H., Межвинский P.JI. Влияние движущей силы, созданной внешним воздействием, на диффузионный массоперенос в твердом теле // Металлофизика и новейшие технологии. 1995. - Т. 17. -№ 1.-С. 30-35.

105. Криштал М.А., Филяев В.И. Электрическое и упругое взаимодействие примесных атомов с дислокациями в металлах // Физика и химия обработки материалов. 1977.-№5.-С. 83-93.

106. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Астрель, 2005. -992 с.

107. Грабский М. В. Структура границ зёрен в металлах. М.: Металлургия, 1972.- 160 с.

108. Vershinin G.A., Poleshchenko K.N., Povoroznyuk S.N., Keba V.V., Subocheva T.V. Mass transfer in heterogeneous materials under irradiation with high-intensity beams of charged particles // Surface Investigation. 2001. - V. 16. -P. 761-767.

109. Вершинин Г.А., Полещенко K.H., Поворознюк C.H., Субочева Т.В. Зернограничная диффузия в гетерогенных материалах при высокодозовой ионной имплантации // Труды 9 Межнационального совещания

110. Радиационная физика твёрдого тела" (Севастополь, 28 июня 3 июля 1999 г.). - М.: Изд-во НИИ ПМТ при МГИЭМ (ТУ), 1999. - С. 617-625.

111. Полянин А.Д., Вязьмин А.В., Журов А.И., Казелин Д.А. Справочник по точным решениям уравнений тепло- и массопереноса. М.: Факториал, 1998.-367 с.

112. Таблицы физических величин. Справочник / Под ред. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. - 1008 с.

113. Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Иванов А.Н., Расторгуев J1.H. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. М.: Металлургия, 1982. - 632 с.

114. Вершинин Г.А., Вахний Т.В. Влияние миграции границ зерен на формирование концентрационных профилей имплантированной примеси //

115. Поверхность. Рентгеновские, синхронные и нейтронные исследования. -2003.-№5.-С. 18-21.

116. Vahniy T.V., Vershinin G.A., Gering G.I. Mass Transfer in Metal Materials under High-Energy Irradiation // Изв. вузов. Физика. 2006. - № 8. Приложение. - С. 238-240.

117. Черепин В.Т., Васильев М.А. Методы и приборы для анализа поверхности материалов. Справочник. Киев: Наукова думка, 1982. - 400 с.

118. Абросимова Г.Е., Аронин А.С., Игнатьева Е.Ю. Механизм кристаллизации сплава Г^оМоюВго выше температуры стеклования // Физика твердого тела. 2006. - Т. 48. - № 3. - С. 523-528.

119. Андриевский Р.А., Спивак И.И. Прочность тугоплавких соединений и материалов на их основе. Челябинск: Металлургия, 1989. - 368 с.

120. Францевич И.Н., Воронов Ф.Ф., Бакута С.А. Упругие постоянные и модули упругости металлов и неметаллов. Киев: Наукова думка, 1982. -286 с.

121. Дударев Е.Ф., Корниенко J1.A., Лыков С.В. и др. Дислокационная субструктура, сформировавшаяся в результате облучения железа низкоэнергетичным сильноточным электронным пучком // Известия вузов. Физика. 1993. - № 5. - С. 42-47.

122. Валяев А.Н., Погребняк А.Д., Лаврентьев В.И. и др. Влияние градиента давления ударной волны в a-Fe, облученном мощным ионным пучком, на появление максимума микротвердости на больших глубинах // Письма в ЖТФ. Т. 24. - № 3. - С. 47-53.

123. Диденко А.Н., Кривобоков В.П. Миграция атомов в металлах под действием сильноточных наносекундных ионных пучков // Журнал технической физики. 1988. - Т. 58. - № 10. - С. 2002-2009.

124. Bayazitov R.M., Antonova L.K., Khaibullin I.B., et.al. Pulsed ion beam formation of highly doped GaAs layers // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research В. 1998. - V. 139. - P. 418-421.

125. Gahagan K.T., Moore D.S., Funk D.J., et.al. Measurement of Shock Wave Rise Times in Metal Thin Films // Phys. Rev. Lett. 2000. - V. 85. - N. 15. -P. 3205-3208.

126. Вальчук В.В., Халиков С.В., Яловец А.П. Моделирование воздействия интенсивных потоков заряженных частиц на слоистые мишени // Математическое моделирование. 1992.-Т. 4.-№ 10.-С. 11-123.

127. Фридман А. Уравнения с частными производными параболического типа. М.: Мир. 1968.-427 с.

128. Лыков А.В. Тепломассообмен: Справочник. М.: Энергия, 1978. - 479 с.

129. Кривобоков В.П., Пащенко О.В., Сапульская Г.А., Степанов Б.П. Эрозия кварца под действием мощных наносекундных ионных пучков // Физика и химия обработки материалов. 1991. - № 6. - С. 25-32.

130. Писчасов Н.И., Панова Т.К., Ковивчак B.C. Моделирование температурных полей и диффузионных процессов в материалах под действием мощных ионных пучков // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2000. - № 5. - С. 27-31.

131. Вахний Т.В., Вершинин Г.А., Геринг Г.И., Писчасов Н.И. Усиленный массоперенос при импульсных воздействиях на металлические системы // Вестник Омского университета. 2003. - № 3. - С. 30-32.

132. Вершинин Г.А., Геринг Г.И., Субочева Т.В. Волновой механизм массопереноса в металлических системах при многократном импульсном воздействии // Вестник Омского университета. 2001. - № 4. - С. 22-24.

133. Miotello A., Dona dalle Rose L.F., Desalvo A. Role of thermal diffusion in the redistribution of Cu during pulsed laser irradiating of Cu-implanted A1 // Applied Physics Letters. 1982. - V. 40. - N. 2. - P. 135-137.

134. Полещенко K.H., Николаев A.B., Вершинин Г.А. Термоактивируемые процессы в приповерхностных слоях сплава WC-Co при воздействии мощными ионными пучками // Поверхность. Физика, химия, механика. -1995.~№ 11.-С. 85-90.

135. Putilin V.A., Kamashev A.V. Analysis of the kinetic equation for mass transport indused by short laser pulses // Technical Physics Letters. 1997. -V. 23. -N. 3. - P. 205-206.

136. Мазанко В.Ф., Филатов А.В., Ворона С.П. Перераспределение атомов в объеме металла в условиях импульсного воздействия // Металлофизика и новейшие технологии. 1995. - Т. 17. - № 9. - С. 74-76.

137. Sin W.D., Salansky N.M., Glass I.I. Effects of shock waves on metal-semiconductor interfaces // Journal of Applied Physics. 1989. - V. 65. - N. 6. -P. 2289-2292.

138. Псахье С.Г., Зольников К.П., Кадыров Р.И. и др. О возможности формирования солитонообразных импульсов при ионной имплантации // Письма в ЖТФ. 1999. - Т. 25. - № 6. - С. 7-12.

139. Вахний Т.В. Анализ массопереноса при прохождении ударных волн // Труды Всероссийской научной конференции молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации" (НТИ-2005) (Новосибирск, 8-11 декабря 2005 г.). Новосибирск: НГТУ, 2005. - Ч. 2. - С. 183-185.

140. Грузин П.Л., Демидов Б.А., Иванов А.В. и др. Влияние импульсного облучения электронами на массоперенос углерода в железе // Диффузионные процессы в металлах. Тула: ТПИ, 1982.- С. 113-120.