Процессы накопления точечных дефектов и радиационные эффекты в мелкодисперных металлических средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

УДК 621.039:539.12

РГ£ од

2 Ч 2000

На правах рукописи

Алиев Баходир Азимджонович

ПРОЦЕССЫ НАКОПЛЕНИЯ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ И РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

СРЕДАХ

01.04.07 - физика твердого тела

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Республика Казахстан Алматы 2000

Работа выполнена в лаборатории радиационной физики НИИ экспериментальной и теоретической физики при Казахском Государственном Национальном университете им. Аль-Фараби

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор Зайкин Юрий Александрович, член-корреспондент HAH PK, доктор физико-математических наук, профессор Сарсембинов Шамши Шарипович,

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Поляков Александр Иванович, кандидат физико-математических наук Кадыров Хамза Ганеевич.

Ведущая организация: Институт ядерной физики НЯЦ РК.

Защита состоится " 7 " июля_2000г. в 14"° часов на заседании

Диссертационного Совета Д 53.08.01 в физико-техническом институте МОиН РК по адресу: 480082 Алматы 82 ФТИ МОиН РК

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан "_"_2000г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, доктор физ.-мат. наук,профессор [ Мелихов В.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Исследования радиационных эффектов в мелкодисперсных металлических средах охватывают круг фундаментальных проблем радиационной физики твердого тела, решение которых необходимо для понимания роли поверхностности в радиационно-стимулированных металлургических процессах и развития методов целенаправленной модификации структуры и свойств металлов и сплавов с использованием радиационных воздействий.

Мелкодисперсные порошки металлов, сплавов и керамик относятся к гетерогенным системам, предварительная радиационная обработка которых позволяет эффективно воздействовать на ход процессов спекания и рекристаллизации при последующей их обработав традиционными методами порошковой металлургии. Изменения структуры и свойств готового продукта оказываются при этом очень значительными и намного превосходящими результат, который мог 5ы быть достигнут как при непосредственном облучении металла, сплава или керамического материала, так и при использовании одних только методов порошковой металлургии.

В связи с этим представляет особый интерес проследить взаимосвязь первичного накопления радиационных дефектов в мелкодисперсных металлических средах при электронном и гамма-облучении с последующими изменениями структуры металла на различных стадиях технологического процесса, принятого в порошковой металлургии.

Наличие информации о первичных распределениях радиационных дефектов, установившихся в процессе облучения твердых тел, и их эволюции во времени является необходимым условием описания любых радиационно-стимулированных процессов. Поэтому проблемы накопления радиационных дефектов в объеме и приповерхностных слоях кристаллов интенсивно исследовались в многочисленных работах.

В настоящее время накоплен обширный теоретический и экспериментальный материал по радиационно-стимулированной диффузии в твердых телах. Эволюция дефектной структуры в кристаллах определяется кинетикой изменения конфигураций и концентраций радиационных дефектов в зависимости от температуры и времени облучения. Простейшие феноменологические модели, построенные для идеализированных частных случаев взаимодействия радиационных точечных дефектов с теистическими дефектами решетки, позволяют производить приближенный расчет распределений концентраций радиационных дефектов и коэффициентов радиационно-стимулированной диффузии. В многочисленных работах такие модели усложнялись с учетом реальных особенностей дефектной структуры кристаллов, образования и распада комплексов дефектов, их взаимодействия с примесями и между собой, влияния поверхности и т.д. Полученные при этом системы уравнений, описывающие накопление радиационных дефектов,

математически сложны, поэтому для получения количественных оценок авторы большинства работ либо используют численные методы, либо делают попытки упрощения выражений, используя дополнительные, не всегда физически .обоснованные, допущения. Отсутствие качественного анализа таких систем и достаточно общих аналитических решений, применимых к различным классам твердых тел и широкому диапазону условий радиационного эксперимента, как правило, не дает возможности описать общие закономерности радиационно-стимулированной диффузии и проследить направление эволюции дефектной системы материала при изменении его структурных характеристик и условий облучения. Это относится к радиационно-стимулированным процессам, протекающим как в объеме, так и в приповерхностных слоях кристаллов и, в особенности, к мелкодисперсным кристаллическим средам, в которых поверхностные эффекты играют определяющую роль в изменении их структуры и свойств при облучении. Детальный качественный анализ уравнений, реалистически описывающих кинетику накопления дефектов при облучении кристаллов, и получение количественных оценок на основе такого анализа позволили бы глубже понять механизмы разнообразных радиационных эффектов, что салю по себе является одной из важнейших задач радиационной физики.

Важность такого анализа связана еще и с тем, что даже незначительные с точки зрения непосредственного влияния на физические свойства изменения дефектной структуры компонент гетерогенной твердотельной системы после облучения высокоэнергетическими частицами (например, широко применяемыми в радиационных технологиях электронами или гамма-квантами с энергией порядка 1 МэВ) могут радикальным образом повлиять на структурно-фазовые превращения, инициированные пострадиационной обработкой. Поэтому вопросы кинетики накопления радиационных дефектов непосредственно связаны с оптимизацией условий облучения металлических порошков в технологических процессах, использующих радиационную обработку.

Основной целью диссертационной работы является качественный анализ процессов накопления и распределений точечных радиационных дефектов в объеме и приповерхностных слоях металлов с учетом их взаимной рекомбинации и аннигиляции на дислокационных стоках при однородной генерации дефектов, соответствующей условиям облучения электронами и гамма-лучами с энергией - 1 МэВ; получение приближенных аналитических решений и их применение для выявления закономерностей механизмов радиационных эффектов в мелкодисперсных металлических средах.

Связь темы с планами научных работ. Работа выполнялась в соответствии с планами научной работы лаборатории радиационной физики Научно-исследовательского института экспериментальной и теоретической физики Казахского государственного национального университета имени аль-

Фараби по Государственной Программе фундаментальных исследований "Неравновесные процессы и структурно-фазовые превращения в конденсированных средах" (тема "Структурно-фазовые превращения и рассеяние упругой энергии в конденсированных средах") и Государственной программе поисковых и прикладных исследований "Комета" (тема "Внутреннее трение и диффузионные процессы в конструкционных материалах").

Методика исследования. Математические методы исследования нелинейных задач основаны на качественной теории дифференциальных уравнений и методов теории возмущения. В экспериментальной части работы использовались методы электронной микроскопии, электрон-позитронной диагностики, специально изготовленные устройства для приготовления и отжига порошковых прессовок. Работы по облучению материалов производились на ускорителях электронов ЭЛУ-4 и ЭЛУ-6.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней проведен последовательный качественный анализ и получены аналитические решения, описывающие процесс накопления точечных радиационных дефектов в объеме и приповерхностных слоях металлов в модели, учитывающей взаимную рекомбинацию дефектов и их аннигиляцию на дислокационных и поверхностных стоках. При этом получены следующие новые результаты:

- выявлен параметр бифуркации и точки ветвления решения, указывающие направления эволюции дефектной структуры металлических частиц при изменении условий облучения и параметров структуры;

- методами многих масштабов получены количественные оценки дозовых зависимостей концентраций точечных дефектов для различных исходных характеристик дефектной структуры металлов;

- качественно и количественно проанализированы закономерности поведения коэффициентов радиационно-стимулированной диффузии по межузельному и вакансионному механизмам в зависимости от условий облучения, приводящего к появлению равномерно распределенных точечных дефектов, и исходной структуры материала: показано наличие сложной неаррениусовской температурной зависимости коэффициентов радиационно-стимулированной диффузии и ее связи с физическими свойствами металла и условиями облучения; в диапазоне значений параметров, характерных для мелкодисперсных металлических порошков, установлена область температур, характеризующаяся преимущественным вкладом радиационных дефектов в диффузионные процессы;

- получены приближенные аналитические решения системы уравнений, описывающей накопление радиационных точечных дефектов и их распределения вблизи поверхности металлов; показано существование максимумов концентрации межузельных атомов в приповерхностных слоях металлов, установлена связь их параметров с характеристиками структуры и условиями облучения; показано, что в металлах с низкой плотностью

дислокаций и в неметаллических материалах электронное и гамма-облучение может приводить к появлению периодических изменений структуры и свойств вблизи поверхности;

- выявлены условия развития микропор в объеме и приповерхностных слоях металлических частиц в процессе облучения, произведены оценки оптимальных условий радиационного залечивания микропор в мелкодисперсных металлических порошках;

- выявлены и теоретически интерпретированы радиационные эффекты, приводящие к улучшению эксплуатационных свойств металлов, полученных из облученных порошков: радиационное растрескивание частиц, приводящее к изменению их среднего размера; освобождение химических примесей вследствие разрыва химических связей при облучении и изменение поверхностного состояния частиц металлических порошков; теоретические результаты применены к анализу изменений поверхностного состояния металлических порошков при облучении электронами и гамма-квантами и оценке оптимальных условий их радиационной обработки.

Научная и практическая значимость результатов состоит в том, что: данные качествещюго анализа рассмотренных систем дифференциальных уравнений и их аналитические решения позволяют прогнозировать накопление радиационных дефектов в объеме и в приповерхностных слоях твердых тел в широком диапазоне условий радиационного эксперимента;

аналитические выражения, описывающие радиационно-стимулированную диффузию и изменение среднего радиуса микропор, оценки относительного вклада этих величин в объеме и в приповерхностных слоях металлов при облучении электронами и гамма-лучами, а также качественные выводы о влиянии первичных распределений дефектов на пострадиационные процессы могут быть непосредственно применены для анализа и оптимизации технологических процессов, связанных с предварительной радиационной обработкой металлов, в частности, в порошковой металлургии.

Достоверность полученных в диссертации результатов достигнута:

- использованием общих, хорошо проверенных, математических методов качественного анализа и аналитического решения систем дифференциальных уравнений, корректной постановкой задач;

- согласием полученных в диссертационной работе результатов и выводов с данными других авторов и их соответствием фундаментальным положениям физики твердого тела.

Личный вклад автора состоит в непосредственном проведении основной части теоретических и экспериментальных работ.

Основные положения и результаты, выносимые автором на защиту:

1. Результаты и физические следствия качественного анализа систем дифференциальных уравнений, описывающих процессы накопления точечных радиационных дефектов в объеме и приповерхностных слоях металлов в модели, учитывающей взаимную рекомбинацию дефектов и их аннигиляцию на дислокационных и поверхностных стоках:

- наличие параметров бифуркации и точек ветвления решения, указывающих направления эволюции дефектной структуры металлических частиц при изменении условий облучения и параметров структуры

- возможность периодических изменений концентраций точечных радиационных дефектов, структуры и свойств вблизи поверхности металлов с низкой плотностью дислокаций и неметаллических материалов при электронном и гамма-облучении;

-необходимость учета спонтанной рекомбинации точечных дефектов и отказа от предположения о мгновенном достижении квазиравновесной концентрации межузельных атомов для адекватного описания кинетики накопления точечных дефектов и радиационно-стимулированной диффузии в металлах.

2. Результаты и физические следствия аналитических решении, описывающих кинетику накопления точечных радиационных дефектов и их распределения в объеме и приповерхностных слоях сильно деформированных металлов для характерных условий технологического эксперимента при облучении электронами и гамма-лучами:

- наличие максимума на дозовых зависимостях концентрации межузельных атомов, очень узкого для металлов, но сравнимого со временем облучения в технологическом эксперименте для твердотельных систем с низкой подвижностью собственных межузельных атомов и небольшими размерами зоны спонтанной рекомбинации точечных дефектов;

- связь параметров максимумов концентрации межузельных атомов в приповерхностных слоях металлов с характеристиками структуры и условиями облучения;

- наличие области преимущественного влияния поверхности на радиационно-стимулированные процессы с характерным размером около 20 мкм, совпадающим со средним размером частиц в мелкодисперсных металлических порошках.

3. Закономерности радиационно-стимулированной диффузии при электронном и гамма-облучении мелкодисперсных металлических частиц:

- сложная неаррениусовская температурная зависимости коэффициентов радиационно-стимулированной диффузии и установленная связь этой зависимости с физическими свойствами металла и условиями облучения;

- полученные из решений дозовые зависимости коэффициентов радиационно-стимулированной диффузии и температурный интервал преимущественного вклада радиационных дефектов в диффузионные процессы в мелкодисперсных металлических порошках;

- снижение энергии активации радиационно-стимулированной диффузии вблизи поверхности металлической частицы.

5. Установленные условия развития микропор в процессе облучения в объеме и приповерхностных слоях металла, оценки оптимальных режимов радиационного залечивания микропор в мелкодисперсных металлических порошках.

6. Теоретическое и экспериментальное обоснование определяющей роли первичных распределений точечных радиационных дефектов в пострадиационных процессах спекания и рекристаллизации мелкодисперсных металлических порошков, оценки оптимальных режимов их предварительной радиационной обработки.

Апробации работы. Результаты диссертации изложены и обсуждены на следующих научных конференциях:

- 27 Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1997);

-. I Международной конференции "Ядерная и радиационная физика" (Алматы: ИЯФ НЯЦ РК, 1997);

- 8 Международной конференции по реакторным материалам (Сендаи, Япония, 26-31 октября 1997г.);

- VIII Межнациональном совещании "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 29 июня-4 июля 1998 г.);

- II Международной конференции "Ядерная и радиационная физика" (Алматы: ИЯФ НЯЦ РК, 7-9 июня 1999 г.);

- IX Межнациональном совещании "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, июнь 1999 г.);

- Международной конференции "Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование" (Алматы: КазГУ, октябрь 1999 г.);

- Международной научной конференции "Физика газа, плазмы и жидкости" (Алматы: КазГУ, декабрь 1999).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в восьми научных публикациях.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Она изложена на 110 страницах, иллюстрирована 49 рисунками, 4 таблицами и содержит список использованной литературы из 110 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и практическая ценность выбранного направления исследования. Сформулирована цель работы, ее научная новизна и задачи исследования. Изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор литературы по теоретическим и экспериментальным исследованиям кинетики накопления радиационных точечных дефектов и диффузионных процессов в кристаллах. На основании анализа состояния и нерешенных проблем этой области радиационной физики сформулирована постановка основных задач диссертационной работы:

1. Формулировка и качественный анализ систем кинетических уравнений для концентраций точечных радиационных дефектов в металлах при облучении высокоэнергетическими электронами и гамма-квантами с учетом их рождения, взаимной рекомбинации, аннигиляции на дислокациях и диффузии к поверхностным стокам. Выявление параметров бифуркации, определяющих поведение систем уравнений на фазовой плоскости.

2. Получение приближенных аналитических решений, анализ кинетики накопления и распределений радиационных дефектов в объеме и приповерхностных слоях мелкодисперсных металлических частиц для физически разумных значений параметров, характеризующих структуру металла и условия облучения, приводящего к образованию равномерно распределенных точечных дефектов.

3. Анализ закономерностей нестационарной радиационпо-стимулированной диффузии и кинетики развития микропор в металлических порошках на основе полученных аналитических решений.

4. Применение полученных решений для анализа влияния первичных распределений радиационных дефектов на процессы спекания и рекристаллизации мелкодисперсных металлических порошков.

Для получения физической картины накопления и распределений радиационных дефектов в мелкодисперсных металлических порошках необходимо рассмотреть процессы, протекающие в объеме и в приповерхностных слоях частиц, и выявить относительную роль поверхностных эффектов в наблюдаемых изменениях их дефектной структуры.

Вторая глава посвящена качественному анализу процесса накопления точечных дефектов и радиационно-стимулированных процессов в объеме металлических частиц. Сформулирована система кинетических уравнений для концентрации точечных радиационных дефектов с учетом их рождения, взаимной рекомбинации и аннигиляции на линейных стоках, применимая к различным классам твердых тел и широкому диапазону условий радиационного эксперимента, которая была описана следующей системой дифференциальных уравнений для атомных концентраций межузельных атомов С, и вакансий Су:

Г с!С-

К - К^ - КтС„ - .¡тС;С„ ,

' ас 0)

где ] - число скачков межузельньгх атомов; К - скорость генерации точечных дефектов; К;, Ку - скорости аннигиляции дефектов на постоянных стоках для

межузельных атомов и вакансий, соответственно; т - число узлов в- зоне рекомбинации вакансия - межузельный атом.

На основе теории динамических систем на плоскости проведен качественный анализ поведения системы (1) в фазовом пространстве (С;,Су). Был получен полный фазовый портрет на плоскости Пуанкаре, включая бесконечно удаленные точки. Принимая во внимание, что С, и С, являются физическими величинами, выделена область физически разумных значений концентраций точечных дефектов в соответствии с определениями этих величин 0<С(,С, <1. (рис.1).

Полный фазовый портрет на плоскости Пуанкаре Y

Рис.1.

Количественное решение системы уравнений (1) в окрестности точки А было найдено в первом приближении с помощью метода многих масштабов:

' С, = i(A + A') exp(^V) - {(В + В') ехр(^р V) +

2jmv А А' 2jm

Cv =I(A-A')exp(^X1t)-I(B-B')exp(^X2t)+ (2)

VD v . K,+Km

2jtn 2jra

Зависимости концентраций межузельных атомов и вакансий от времени облучения, рассчитанные по формулам (2), приведены на рис.2 для скорости генерации дефектов К = 10"6 с"1 и значений других параметров, характерных

для металлов при комнатной температуре: ш =102; а =1012 см'2; ] =5 х Ю3 с"1; К, =4.5 с'; Ку =2 х Ю"4 с1.

Концентрации как вакансий, так и межузельных атомов, при больших временах облучения стремятся к постоянным величинам, значения которых зависят от использованного набора параметров. Учет атермической рекомбинации дефектов позволил описать эффекты насыщения и получить правильное асимптотическое поведение концентраций дефектов как при малых, так и при больших дозах облучения (рис.2).

Кинетика накопления точечных дефектов в металлах

с,,1 о

1,5 1

0,5

СУ,104

ио3с

10

15

10

15

Рис.2

Показано, что характерной особенностью кинетики накопления радиационных дефектов в мелкодисперсных металлических порошках является наличие острого максимума концентрации межузельных атомов в области малых значений времени облучения. Интервал времени первоначального накопления межузельных атомов является конечным, зависит от исходной дефектной структуры кристалла и может быть корректно рассчитан (рис.3).

Первоначальное время накопления межузельных атомов в объеме

0,05 Рис.3.

0,1

Показано, что для кристаллов с низкой плотностью дислокаций и относительно малой подвижностью межузельных атомов, в отличие от металлов, наблюдается значительное уширение пика концентрации межузельных атомов, при этом период их начального накопления становится сравнимым с реальными значениями времени облучения.

На основе полученных решений проанализированы закономерности нестационарной радиационно-стимулированной диффузии в объеме металлических частиц.

Результаты расчета коэффициента радиационно-стимулированной диффузии по межузельному механизму Г} от времени облучения при температуре 400 К по нашим формулам приведены на рис.4 в сравнении с расчетом, выполненным по известной модели [1].

В отличие от модели [1] коэффициент диффузии по межузельному механизму, рассчитанный в данной работе, является слабой функцией времени облучения и может быть определен для любых доз.

С учетом термической составляющей суммарный коэффициент радиационно-стимулированной диффузии определяется соотношением:

О^От + ^ + Оу,

(3)

где От - коэффициент термической диффузии по вакансионному механизму, , - коэффициенты радиационно-стимулированной диффузии соответственно по межузельному и вакансионному механизмам. На рисункеЗ представлены зависимости коэффициента диффузии от температуры для времени облучения 100 с. при скорости генерации дефектов К ■

10 е с"1 и

Зависимость коэффициента радиационно-стимулированной диффузии по межузельному механизму от времени облучения.

П„10 20 см "/с

10

15

и03с

1 - расчет по формулам данной работы, 2 - расчет по модели [1].

Рис. 4.

Температурные зависимости коэффициентов радиационно-стимулированной диффузии для времени облучения 100 с.

1,5 2 2,5 Ю3/Т, К1

-о—1 -а—2 3

.....4

-х—5

1 - расчет по формулам данной работы; 2 - расчет по формулам работы [1]; 3 - экспериментальные данные работы [4]; 4 - экспериментальные данные работы [5, 6] для радиационно-стимулированной диффузии в □-железе; 5 -радиационно-стимулированная диффузия в никеле [7].

Рис.5.

характерных для металлов значениях других параметров. При невысоких температурах коэффициент диффузии полностью определяется диффузией радиационных дефектов.

На основе полученных оценок коэффициентов радиационно-стимулированной диффузии изучена кинетика развития радиационной пористости при равномерном образовании точечных радиационных дефектов в объеме металла. Учет закономерностей этого процесса особенно важен при выборе условий радиационной обработки мелкодисперсных металлических порошков, как правило, характеризующихся повышенной пористостью. Характерная зависимость среднего радиуса микропор от времени облучения электронами при температуре около 450К приведена на рис.6.

Проведенные расчеты позволяют в зависимости от свойств кристалла и заданных параметров радиационной обработки выбрать дозы облучения, оптимальные для залечивания микропор. Численная оценка показывает, что при облучений металлов электронами с энергией 2МэВ при плотности тока электронов около 1 мкАУсм2 в интервале температур 300-400К оптимальные дозы составляют несколько мегарад, т.е. являются технологически приемлемыми при радиационной обработке металлических порошков. Дальнейшее увеличение дозы может привести к порообразованию в объеме кристалла.

Рис. 6.

Одним из важных факторов, влияющих на кинетику накопления радиационных точечных дефектов, является поверхность. В металлических мелкодисперсных порошках средние размеры частиц (10-20 мкм) сопоставимы с размерами области преобладающего влияния поверхности на радиационно-стамулированные процессы. В этом случае структурное состояние приповерхностных слоев частиц после облучения является определяющим и для дальнейшей эволюции их дефектной структуры при пострадиационной обработке.

В связи с этим, в третьей главе рассмотрены особенности накопления точечных дефектов в приповерхностных слоях металлов.

Введение дополнительных членов, учитывающих диффузию точечных дефектов к поверхностным стокам, приводит систему уравнений для концентраций точечных дефектов (2), рассмотренную в главе 2, к виду:

ас. &2С.

КА "^ ~ ^^ + К

дС„ 82С ' (4)

= - КтС, - К„СУ - }тС,С, + К

В случае бесконечно большой поглощательной способности поверхности граничные условия имеют вид:

С,(0)=Сг(0) = 0;

дх) \дх)

где Д и - коэффициенты диффузии межузельных атомов и вакансий. Во всех расчетах использовались такие же численные значения параметров, как и в главе 2.

Данная система рассматривалась для двух предельных случаев. Во-первых, было найдено приближенное решение для малых доз облучения с

помощью разложения по малому параметру при условии неподвижности вакансий. Во-вторых, с использованием асимптотических методов нелинейной механики было получено стационарное решение для больших доз облучения.

Анализ параметра бифуркации, определяющего топологическую структуру фазового портрета, показал, что фазовая картина является фокусом, если для скорости введения дефектов К выполняется неравенство

щ га

В этом случае решение качественно будет иметь вид, представленный на рис.7а.: За пределами указанного интервала для К фазовый портрет становится узлом и качественное решение имеет вид, приведенный на рис.7б. Проведенные оценки показывают, что при высоких скоростях генерации дефектов и низких температурах существует возможность появления периодических изменений концентрации точечных дефектов вблизи поверхности, что может оказывать существенное влияние на характер радиационно-стимулированных процессов в приповерхностных слоях металлов.

Качественная картина кинетики накопления радиационных дефектов в приповерхностных слоях металлов, а) б)

Рис. 7.

Более подробно рассмотрен случай, когда выполняется неравенство Кт < КУ и характеристическое уравнение имеет четыре различных вещественных корня. Этот случай отвечает обычным условиям технологического эксперимента по облучению мелкодисперсных металлических порошков электронами при температурах выше 300 К и скорости генерации дефектов до 10'6 с"1.

Приближенные аналитические решения системы уравнений (4) с граничными условиями различного типа были получены в предельных случаях больших и малых доз облучения. На рис. 8 и 9 приведены стационарные распределения концентраций межузельных атомов и вакансий по толщине приповерхностного слоя. В расчетах в качестве исходного использовался набор значений параметров, характерных для металлов при комнатной температуре (К = 10"6с_1; ш =102; а =1012см"2; ] =5 х Ю3 с1; К{ =4.5 с';Ку=2х Ю^с"1).

Для любых доз облучения вблизи поверхности наблюдается хорошо выраженный пик концентрации межузельных атомов. Высота этого пика растет с увеличением дозы, достигает максимума при значениях дозы около 1 Мрад и затем медленно уменьшатся по мере насыщения металла радиационными дефектами. Степень проявления поверхностных эффектов существенно зависит как от условий облучения (дозы, мощности дозы, температуры), так и от типа кристалла и исходных характеристик его дефектной структуры. Толщина пограничного слоя, в котором наблюдаются существенные изменения концентраций дефектов по сравнению с их значениями в объеме, растет с увеличением дозы до величины 20-30 мкм.

Исходя из полученных аналитических решений, рассчитаны дозовые и температурные зависимости коэффициентов радиационно-стимулированной диффузии по вакансионному и межузельному механизмам на различных

Распределение вакансий по глубине для различных скоростей генерации дефектов ряд1 - К = 10"6 с'1, ряд2 - К = 1,9*10"® с1.

Рис.8.

расстояниях от поверхности металла. Показано, что радиационно-сшмулированная диффузия наиболее интенсивно протекает в приповерхностном слое толщиной 10-20 мкм в области максимума концентрации межузельных атомов. На глубине, соответствующей положению этого максимума, наблюдается снижение энергии активации радиационно-стимулированной диффузии по обоим механизмам примерно на 20%.

Установлено, что особенности радиационно-стимулированной диффу-зии в приповерхностных слоях металла существенно влияют на кинетику развития микропор. С использованием вычисленных коэффициентов радиационно-стимулированной диффузии произведены количественные оценки изменения размеров микропор в металлах при различных условиях облучения.

Распределение межузельных атомов по глубине для различных скоростей генерации дефектов ряд! - К = 10"6 с \ ряд2 - К = 1,9*10"6 с1.

Сю,10'

9

-Рад1

10

20

30

40 Ю "м

Рис.9

Численные оценки для характерных условий облучения металлов электронами при температурах 300-400К и плотности тока пучка около 1 мкА/см2 показали, что при значениях поглощенной дозы 1-10 Мрад отношение частот скачков межузельных атомов и вакансий попадает в область преимущественного влияния поверхности на залечивание микропор. Приведенные оценки показывают, что в этом же диапазоне доз ожидается максимальная скорость залечивания микропор в объеме металла.

Таким образом условия облучения, оптимальные с точки зрения залечивания микропор, одинаковы для металлических частиц различных размеров, однако в мелких частицах с размерами около 20 мкм эффект облучения многократно возрастает за счет влияния поверхности.

В четвертой главе приведен качественный анализ влияния первичных распределений точечных радиационных дефектов на процессы спекания и рекристаллизации мелкодисперсных металлических сред.

Мелкодисперсные металлические порошки являются примером гетерогенных твердотельных систем, в которых изменения дефектной структу ры приповерхностных слоев частиц, вызванные облучением, существенным образом сказываются на структурных превращениях, инициированных их дальнейшей механической и термической обработкой. Проведенные ранее многочисленные эксперименты показали, что предварительное облучение металлических порошков электронами или гамма-излучением с энергией 2-4 МэВ оказывает влияние на образование контактов между частицами, процессы спекания и рекристаллизации, способствует формированию более совершенной структуры и позволяет значительно повысить качество металлов.

Для того, чтобы выяснить, в какой мере структура металлов, получаемых методами порошковой металлургии, зависит от первичных распределений радиационных дефектов в приповерхностных слоях частиц, в данном разделе проанализированы основные радиационные эффекты, экспериментально наблюдавшиеся в мелкодисперсных металлических средах.

Наиболее очевидные и легко обнаружимые эффекты радиационной обработки порошков заключаются в радиационном растрескивании частиц, приводящему к изменению их среднего размера, и освобождению ряда химических примесей вследствие разрыва химических связей при облучении. Аналогичные явления наблюдаются и при других, нерадиационных, способах обработки металлических порошков (ультразвуковая обработка, использование химических добавок, обработка в различных восстанавливающих средах и т.д.). Однако ни один из этих двух эффектов в отдельности, ни оба вместе взятые, не приводят к таким значительным изменениям структуры конечного продукта, как в случае радиационной обработки порошков.

Проведенное исследование начальных стадий спекания металлических порошков показало, что значительный наблюдаемый эффект радиационных воздействий связан с тем, что облучение приводит к существенным изменениям структурного состояния частиц порошка. Эти изменения оказывают, затем, определяющее влияние на процессы спекания и рекристаллизации.

Рис.10 иллюстрирует влияние облучения на начальные стадии спекания порошков на примере приведем результатов, полученных для порошков нержавеющей стали со средним размером частиц около 20 мкм. Порошки облучались тормозными гамма-квантами дозами от 10 до 100 Мрад и затем

Влияние облучения на начальные стадии спекания порошков. Увеличение х 66.

г*

Рис. 10

подвергались прессовке под нагрузкой 5 тонн/см2, что в два раза меньше стандартной нагрузки в обычной технологии. Порошковые прессовки отжигались в вакууме в течение 3 часов при температуре 1000°С. Такой режим

радиационно-термической обработки позволяет отчетливо наблюдать начальные стадии процесса спекания.

Из рис.10 видно, что в зависимости от дозы гамма-излучения при предварительной обработке порошков, для одних и тех же условий их последующей термической обработки в необлученном образце рис. 10а наблюдаются изолированные частицы с отдельными областями припекания, он имеет пористую структуру и малую усадку. В то же время, образец, изготовленный из порошка, облученного до дозы 100 Мрад рис.106, характеризуется законченной первой стадией спекания.

Результаты выполненных расчетов профилей распределения точечных радиационных дефектов указывают на наличие максимума концентрации межузельных атомов вблизи поверхности. Появление избыточной концентрации межузельных атомов при облучении приводит к залечиванию микропор в приповерхностных слоях, что создает благоприятные условия для образования контакта между частицами при прессовке порошка. Наличие разветвленных границ, возникающих при залечивании микропор, способствует усилению поверхностной диффузии и интенсификации процесса спекания.

Сделанные выводы о характере структурных изменений, происходящих в приповерхностных слоях частиц, при облучении металлических порошков, подтверждаются исследованиями угловых распределений аннигиляционного излучения в прессовках, полученных из порошков ниобия и вольфрама, облученных электронами. Полученный немонотонный характер дозовой зависимости параметров аннигиляции указывает на протекание конкурирующих процессов обогащения облученных порошинок одиночными вакансиями с одновременным залечиванием микропор в приповерхностных слоях. Оба эти процесса создают благоприятные условия для спекания облученных порошков.

Важную дополнительную особенность микроструктуры радиационно-модифицированных образцов металлов, полученных из предварительно облученных порошков, позволили установить эксперименты по электровзрывному разрушению образцов вольфрамовых проволок, показавшие, что проволока, полученная по традиционной технологии порошковой металлургии, испаряется полностью. В противоположность этому после испарения проволоки, изготовленной из облученного порошка, остается плотная пространственная сетка.

Полученные результаты указывают на частичное сохранение сверхструктуры, существующей в радиационно-модифицированном металле. Наблюдаемая локальная эрозия и образование сверхструктуры в металле , полученном из облученного порошка, можно объяснить вкладом ускоренной диффузии в процессы спекания и рекристаллизации в облученном порошке.

Таким образом, закономерности формирования структуры металлов, полученных методами порошковой металлургии из предварительно облученных порошков, могут быть качественно объяснены структурными особенностями металлических частиц, связанными с первичными

распределениями радиационных дефектов и радиационно-стимулированными процессами. Полученные соотношения, описывающие кинетику накопления радиационных дефектов и развитие радиационной пористости вблизи поверхности, могут быть полезны для оптимального выбора условий предварительного облучения металлических порошков в радиационной технологии получения металлов и сплавов с улучшенными эксплуатационными свойствами.

В заключении приведены основные результаты и выводы работы.

Основные результаты и выводы

1. Проведен качественный анализ процессов накопления точечных радиационных дефектов в мелкодисперсных металлических средах в модели, учитывающей однородную генерацию дефектов, их взаимную рекомбинацию, включая спонтанную, и аннигиляцию на линейных стоках. Определены параметр бифуркации и точки ветвления решений, указывающие направление эволюции дефектной структуры металлических частиц при изменении условий облучения и параметров структуры. Установлена возможность периодических изменений концентраций точечных радиационных дефектов, структуры и свойств вблизи поверхности металлов с низкой плотностью дислокаций и неметаллических материалов при электронном и гамма-облучении.

2. Получены приближенные аналитические решения, описывающие дозовые зависимости и распределения концентраций вакансий и межузельных атомов в объеме в приповерхностных слоях металлических частиц. Показано, что на дозовых зависимостях концентрации межузельных атомов имеет место максимум, очень узкий для металлов, но сравнимый со временем облучения в технологическом эксперименте для твердотельных систем с низкой подвижностью собственных межузельных атомов и небольшими размерами зоны спонтанной рекомбинации точечных дефектов.

3. Установлена связь параметров максимумов концентрации межузельных атомов в приповерхностных слоях металлов с характеристиками структуры и " условиями облучения, показано наличие области преимущественного влияния поверхности на радиационно-стимулированные процессы с характерным размером около 20 мкм, совпадающим со средним размером частиц в мелкодисперсных металлических порошках.

4. На основе полученных решений проанализированы закономерности нестационарной радиационно-стимулированной диффузии в объеме и вблизи поверхности металла: установлена связь сложной — неаррениусовской температурная зависимости коэффициентов радиационно-стимулированной диффузии с физическими свойствами металла и условиями облучения; произведены аналитические оценки дозовых зависимостей коэффициентов радиационно-стимулированной диффузии и температурной области преимущественного вклада радиационных дефектов в диффузионные процессы в диапазоне значений параметров, характерных для мелкодисперсных

металлических порошков; обнаружено снижение энергии активации радиационно-стимулированной диффузии вблизи поверхности металлической частицы. Предложенная модификация модели радиационно-стимулированной диффузии хорошо согласуется с имеющимися экспериментальными данными, позволяя анализировать усиленные облучением диффузионные процессы при любых дозах облучения.

5. Показано, что радиационно-стимулированная диффузия как в объеме, так и в приповерхностных слоях металла существенно влияет на кинетику развития микропор. Установлено, что оптимальные условия радиационного залечивания микропор одинаковы для металлических частиц различных размеров, однако в мелких частицах с размерами менее 20 мкм эффект облучения многократно возрастает за счет влияния поверхности.

6. Выявлены основные эффекты радиационной обработки мелкодисперсных металлических порошков, которые заключаются в радиационном растрескивании частиц, приводящем к изменению их среднего размера, освобождении ряда химических примесей вследствие разрыва химических связей при облучении и изменении поверхностного состояния частиц металлических порошков.

7. На основе теоретически установленных закономерностей проанализировано влияние структурных изменений в металлических частицах, вызванных предварительной радиационной обработкой, на развитие процессов спекания и рекристаллизации в мелкодисперсных металлических средах. Показано, что первичные распределения точечных радиационных дефектов играют определяющую роль в пострадиационных процессах спекания и рекристаллизации мелкодисперсных металлических порошков. Сделанные выводы о влиянии дефектной структуры облученных металлических порошков на процессы спекания и рекристаллизации при их пострадиационной обработке методами порошковой металлургии хорошо согласуются с результатами экспериментального исследования начальных стадий спекания, данными электронной микроскопии, электрон-позитронной диагностики и экспериментов по электровзрывному разрушению радиационно-модифицированных металлов. Полученные аналитические зависимости концентраций точечных радиационных дефектов, коэффициентов радиационо-стимулированной диффузии и среднего размера микропор от параметров структуры и условий облучения позволяют выбрать оптимальные условия предварительной радиационной обработки металлических порошков в технологии производства металлов и сплавов с улучшенными эксплуатационными свойствами.

Список литературы, цитированной в автореферате

1. Быстров Л.Н., Иванов Л.И., Платов Ю.М. Механизм радиационно-стимулированной диффузии в металлах//ФизХОМ, 1970, №1, с. 14.

2. Шалаев А.М. Радиационно-стимулировагшые процессы в металлах.- М.: Энергоатомиздат, 1988, 343с.

3. Венецкий В.Л., Калнинь Ю.Х., Котомин Е.А., Овчинников А.А. Радиационно-стимулированная агрегация дефектов Френкеля в твердых телах. //УФН, 1990, г 60, вып.Ю, с.97-102,

4. Adda J., Beyeler М.. Brebec G. Radiation effects on solid state diffusion// Thin Solid Films,'1975, v.25, No.l, p.107-156.

5. Смирнов E.A., Смирнов K.E., Шевчук Ю.А. Диффузия в альфа-фазе сплавов цирконий-титан. // В сб. - "Материалы и сплавы для атомной техники".- М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 43-48.

6. Смирнов Е.А., Осецкий Ю.Н., Михин А.Г. Точечные дефекты в ГПУ фазах титана и циркония. //В сб. - "Цирконий и его сплавы". - М.: Энергоиздат, 1982, с. 76-86.

7. Schule W. Point defects and defect interactions in metals. //Proc. Yamada Conf., 1982, p. 209-212

Основные результаты диссертации опубликованы о работах:

1. Зайкин Ю.А... Мукашев К.М., Алиев Б.А. О применении метода электрон-позитронной аннигиляции к исследованию структуры мелкодисперсных металлических сред./'/ Тезисы докл. 27 Междунар. конф. по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 1997 г. с.161.

2. Зайкин Ю.А., Чесноков Б.П., Алиев Б.А. Радиационные методы обработки мелкодисперсных порошковых материалов.//' Тезисы докл. Мелел, конф. "Ядерная и радиационная физика", Алматы, 1997 г., с.147-148.

3. Зайкин Ю.А., Потанин АС., Алиев Б.А. О нестационарны?: механизмах радиационно-стимулирозанной диффузии в металлах.// Тр. VIII Межнац.совещ. "Радиационная физика твердого тела"(Севастополь, 29июня-4 июля 1998 г.), Москва, 1998г., с.382-385. *

4. Yu.A.Zaykin, A.S.Potanin, B.A.Alicv. Kinetics of Point Defect Accumulation in Solids During Irradiation.// Scientific Israel - Technological Advantages 1999r.. V.l, No.l, p.42-49.

5. Зайкин Ю.А. Сарсембинов Ш.Ш. Потанин А.С., Алиев Б.А. О насыщении приповерхностных слоев кристаллов радиационными дефектами при больших дозах электронного и гамма-облучения.// Матер. IX межнац.совещ. "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, июнь 1999 г) - Йзд-во: Москва, 1999 г., с.45-50.

6. Зайкин Ю.А., Алиев Б.А. Радиационные эффекты в мелкодисперсных металлических средах.//2-ая Межд. Конф. "Ядерная и радиационная физика", том 2, .Алматы, 7-10 июня 1999г., с.71-76.

7.Zaykin Yu.A., Aliyev В.А., Chesnokov B.P., Kiryushatov OA Raddiation Processing of Powders for Improved Fusion Sructural Materials. J.Nucl.Mater. 1999, V.271/272, p.73-77.

8. Зайкин Ю.А. Сэрсембинов Ш.Ш. Потанин A.C., Алиев Б.А. О кинетике накопления точечных радиационных дефектов в приповерхностных слоях кристаллов.// Вестник КазГУ, серия физическая, №6, Матер. Межл. Конф. "Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование" . Алматы, октябрь 1999 г., с.18-20.

9. Зайкин Ю.А., Потанин A.C., Алиев Б.А. Кинетика накопления точечных радиационных дефектов и радиационно-стимулированные процессы в твердых телах.// Вестник КазГУ, серия физическая, №7, Матер. Межд. Конф. "Физика газа, плазмы и жидкости" . Алматы, Декабрь 1999 г., с.212-229.

Aliyev Bahadyr Azimjonovich

"Processes of point defect accumulation and radiation eifects in high-dispersed

metal media"

Kinetics of accumulation and distributions of point radiation defects in volume and near-surface layers of metal samples are qualitatively analyzed subject to their reciprocal recombination and annihilation at dislocation gutters. Approximate analytical solutions are deduced and applied to description of regularities in radiation-induced diffusion and mechanisms of radiation eifects in high-dispersed metal media

It is shown that radiation-induced diffusion heavily affects kinetics of micropore development .both in the volume and near the surface of a metal sample. It is stated that optimal conditions of radiation-induced micropore healing are similar for metal particles of different sizes, however the radiation effect is much more considerable in small particles with a size lower, than 20 mem due the surface influence.

Basic effects of radiation processing of high-dispersed metal powders are disclosed, namely, radiation-induced particle fragmentation leading to changes in the particle average size, release of a series oh chemical impurities due to breaks of chemical bonds during irradiation, and alterations in the surface state of metal particles.

Basing on the theoretically stated regularities, effects of structural alterations in metal particles after preliminary radiation processing on mechanisms of sintering and re-crystallization in high-dispersed metal media are analyzed. Analytical expressions deduced for dependencies of point defect distributions, coefficients of radiation-induced diffusion, and micropore average sizes on irradiation conditions and structural parameters are used in evaluations of optimal conditions for metal powder preliminary irradiation in the technology of metals and alloys with improved service properties.

Алиев Баходир Азимджонович " Майда дисперсиялык металл ортада нуктел1 акдулардыц жшалу процесщн жене радияциялык эффектгер"

Радиациялык эксперименттщ кец диапазонында орындалатын жане к,атты денелердщ ер турл1 кластарга к,олданылатын кинетикалык, тендштердщ системасы жазылган. Тевджтер системасы келемде жоне бетпк кабатгарда электрондар жене гамма-квантгар есершде радиациялык нуктел1 акдулардыц жшалуы, олардьщ б1р-61ршен рекомбинациялануы жэне сызыктык аклулардагы аннигиляциясын ескередь

Жазыкуьщтагы динамикалык, системалардыц теориясыны кщдап кинетикальщ тендктер системасыныц сапалык анализы етюзшген. Ерекше нуктелер айналасында аналитикалык жуыктау шедпмдер аныктаяган. Бул шешЬадерге тсрелш металл белшектер1 келемшдеп жене бетак кдбатгарындага бейстационар радиациялык енделген диффузия зандылыктарыньщ анализы етюзшген. Бетпк кабаттар ушш бифуркация параметры аныкталып, нуктсл1 акаулардьщ концетрациясы беттЬс кабаттарында периодты езгеруы мумкшдш керсетигген:

Майда дисперсиялык металл унтакуарындагы радиациялык эффекттер аньщгалган, олар болшектердщ жарылуы, коспалардыц ажрап шьнуы жэне болшектердщ беттгк кабатгарыньщ куш езгеруы.

Аналитикалык; шеш1мдерге тсрелш нуктел1 радиациялык акдулардьщ улеспршуыныц кейшп уактардьщ кыздыру жэне кдйта кристалдану процестерге есер1 туейщршген.

Подписано в печать 23.05.2000. Формат 60x84/16. Усл. п. л. 1,5. Усл. изд. л. 1,62. Печать офсетная. Тираж 100. Заказ 45.

Отпечатано в типографии ТОО "Рпт-Б" г. Алматы, ул. Ибрагимова, 1.