Развитие теории распухания и фазовых превращений в сплавах замещения под облучением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

^ ^ На правах рукописи

€ 2 ШОП Ш7 УДК 539.216.2; 621.039518.34.001

. ЕАРАШЕВ Александр Валентинович

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ РАСПУХАНИЯ И ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В СПЛАВАХ ЗАМЕЩЕНИЯ ПОД ОБЛУЧЕНИЕМ

0) .04.07 - физика твердого тела

Автореферат

. диссертации на соискание ученой степени . кандидата физико-математических наук

Автор:

Обнинск - 1997г.

Работа выполнена в ГНЦ РФ "Физико-энергетическом институте" имени академика А.И.Лейпунского. ' . . . •,'■■'■.'■ '• ■!> ,-

Научный руководитель: кандидат физ.-мат. наук, Голубов С.И. -Официальные оппоненты: доктор физ.-мат, наук, проф. Суворов А.Л.

доктор физ.-мат; наук, Коптслов Э.Л. Ведущая организация: . РНЦ "Курчатовский Институт" (г.Москва)

Защита состоится 1997 г. в часов мин.

на заседании диссертационного совета К.053.03.02 в МИФИ по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, д.31; тел.: 324-84-98, 323-51-67. ;

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан __

1997 г.

Просим принять участие а работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации. -

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.тль, доцент ^ А., /■......— В.Н.Яльцев

Подписано к печати ^У- № ' Заказ N Типаж экз.

Типография МИФИ, Каширское шоссе, 31

0Би1ДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

; Актуальность темы лисссртацин.

Создание раднацношю-стойких конструкционных материалов продолжает оставаться актуальной задачей при разработке экономичных ядерных и термоядерных реакторов. Поскольку этот процесс требует больших затрат времени и ресурсов, необходима разработка теоретических моделей, на основе которых можно прогнозировать эволюцию микроструктуры облучаемых сплавов. К настоящему времени роль теории в процессе создания новых материалов остается довольно скромной, а многие достижения в этом направлении^ получены чисто эмпирическим путем. Такое положение обусловлено тем, что большая часть результатов теории получена для чистых металлом. Экспериментальные данные свидетельствуют о более сложной эволюции микроструктуры в облучаемых сплавах по сравнению с чистыми металлами: \ потере однородности состава в результате радиационно-индуцированной сегрегации (РИС) и выделении вторичных фаз. На взаимосвязь явлений РИС компонентов сплавов около стоков точечных дефектов (ТД), распухания и фазовых превращений в сплавах под облучением исследователи обратили внимание уже давно, однако, последовательная теория начала разрабатываться только в последние годы. Главная причина этой задержки - отсутствие систематических экспериментальных данных даже для простых бинарных систем. Тем не менее,, накопленный к настоящему времени экспериментальный материал позволяет выделить основные закономерности и особенности поведения различных сплавов под облучением и определить наиболее перспективные направления исследований.

Одним из таких перспективных направлений является дальнейшее развитие предложенной в работах [1-3] теории распухания сплавов, учитывающей РИС компонентов около стоков ТД. Согласно |1-3|. возникновение вследствие РИС в сплавах дополнительного разбаланса потоков ТД на поры и дислокации появляется лишь при учете и.нтшм

переползания дислокаций и диффузионного взаимодействия пор на профили РИС компонентов сплавов и на факторы предпочтения (ФП) лор и дислокаций. В рамках этой теории удастся объяснить многие закономерности : распухания сплавов: выход аустенитных сталей при больших дозах облучения на стационарную, не зависящую от состава сплава, скорость распухания {4]; стойкость к распуханию большинства высоконикелевых сплавов; экстремально высокую скорость распухания сплава Л'-5ат%Ре [5]. В работах [1-3] учет влияния переползания дислокации и диффузионного взаимодействия пор на профили РИС компонентов сплавов и на ФИ нор и дислокаций был проведен лишь в грубой форме, и получение корректного решения этих задач весьма актуально. Кроме того, необходимо исследовать особенности сегрегации на подвижных границах зерен,, для которых получены наиболее подробные экспериментальные данные [6]. .

Необходимость исследований фазовых превращений в сплавах под облучением определяется изменением механических характеристик сплавов при выделении или растворении в них вторичных фаз, а также наблюдаемой корреляцией фазовых превращений и распухания. При этом отличие закономерностей эволюции вторичных фаз под облучением от наблюдаемых при термическом старении сплавов (растворение термически стабильных фаз, выделение новых фаз, ускорение роста фаз) требует разработки новой теории^ В настоящее время установлено, что определяющим процессом при эволюции некогерентных фаз под облучением является РИС компонентов сплавов около межфазных границ. Основное внимание теоретиков до енх пор было сконцентрировано на изучении устойчивости 'частиц фазовых выделении под облучением, а кинетическая теория практически не разработана. ,

Основными параметрами, необходимыми для описания РИС компонентов сплавов, являются парциальные коэффициенты диффузии компонентов по вакансионному и междоузельному механизмам [7]. Одним из факторов, сдерживающих развитие теории радиационных повреждений, \ является полное отсутствие данных по коэффициентам диффузии по междоузельному

'г. "."-••■ ■•■;■';'■' / ■ -5- ".:'•'

механизму. Причина этого лежит в больших величинах энергии образования междоузельных атомов (МЛ) и их высокой подвижности. Разработка методов для определения парциальных' коэффициентов диффузии компонентов сплавов по междоузельному механизму является актуальной задачей теории.

Для ряда практических приложений важной задачей является обобщение теории эволюции частиц вторичных когерентных фаз (для них влиянием РИС можно пренебречь) на сплавы под облучением. Так, например, охрупчнвание корпусных сталей реакторов ВВЭР в значительной мере определяется выделениями частиц меди. Разработанные к настоящему времени модели, к сожалению, не в состоянии достаточно полным образом описать накопленный экспериментальный материал. Проведенные в последнее время с применением разнообразных методик исследования, особенно для бинарных сплавов Fe-Cu [8-10], : в принципе позволяют создать последовательную теорию этого явления.

• Цель диссертации. Разработка теоретических моделей для описания и прогнозирования эволюции микроструктуры бинарных сплавов замещения под облучением. :„

... Исходя из этой цели сформулированы следующие конкретные задачи:

1 .Исследование РИС компонентов сплавов на различных стоках ТД и выявление влияния подвижности стоков на их сегрегационные ФП (СФП).

2.Исследование стабильности вторичных некогерентных фаз н особенностей их роста или растворения в сплавах под облучением.

3.Разработка метода определения парциальных коэффициентов диффузии компонентов сплавов по междоузельному механизму.

4.Получение экспериментальных данных по профилям РИС в сплаве V-5 % Fe и апробация метода с целью определения парциальных коэффициентов диффузии атомов V и Fe но междоузельному механизму.

5.Создание модели для описания эволюции медных выделений в сплавах на основе железа при термическом отжиге и под облучением.

-6- • • •'.;■•■■■ v-

Научная новизна работы.

1.Впервые получены аналитические выражения для профиля РИС компонентов бинарного сплава около подвижной границы зерна и для ее СФП. Показано, что профили компонентов слева и справа от подвижной границы различны, что согласуется с результатами экспериментов. Показано, что с ростом скорости движения границы ее СФП быстро убывает.

2.Впервые "получены аналитические выражения для профиля РИС • компонентов бинарного сплава в окрестности поры и для ее СФП. Показано, что СФП поры зависит от концентрации пор и температуры облучения и убывает при распухании сплава, а в случае идеального твердого раствора компонентов когда интенсивности стоков пор и дислокаций близки, СФП пор является универсальной функцией распухания материала.

3.Впервые показано, что зависимость скорости роста частиц выделений под облучением от состава сплава и предела растворимости качественно отличается от известной для термического старения сплавов.

4.Впервые разработана модель, описывающая эволюцию : медных выделений в сплаве Fe-Cu при термическом отжиге и под облучением.

5.Впервые показано, что для объяснения нескольких пиков на функциях распределений частиц выделений по размерам, наблюдаемых в экспериментах при термическом старении бинарных сплавов Fe-Cu, необходимо предположить, что энергия связи атомов меди с кластерами является немонотонной функцией их размера. - '•'•• ■ " -

6.Впервые проведено обобщение диффузионных уравнений, описывающих РИС компонентов бинарных сплавов, для учета особенностей низкотемпературного ионного облучения, и предложен метод экспериментального определения парциальных коэффициентов диффузии компонентов сплава по междоузельному механизму.

7.Получены экспериментальные данные по профилям РИС компонентов в сплаве V-5%Fe; облученном нонами V+ с энергией 50 кэВ в интервале доз от Ю'^до 10"нон/м: при комнатной температуре. На основании полученных

результатов впервые оценено отношение коэффициентов диффузии атомов Fe и V по междоузельному механизму в сплаве V-5%Fe. •

Практическая ценность работы.

1.Результаты теоретического исследования РИС компонентов сплавов и СФП различных стоков важны для разработки последовательной теории распухания сплавов. .

2.Результаты исследований роста/растворспня некогерентных фаз под облучением необходимы для создания теории, описывающей эволюцию некогерентных частиц вторичных фаз в сплавах под облучением.

3.Разработанная модель, описывающая эволюцию выделений меди в сплавах Fe-Cu при термическом отжиге и под облучением, является важной для предсказания механических свойств корпусных сталей реакторов ВВЭР при отжиге, облучении и при комбинированном воздействии по схеме облучение-отжиг-облучение. :

; 4.Разработанный метод оценки парциальных коэффициентов диффузии компонентов сплава по междоузельному механизму позволяет проводить измерения одного из критических параметров, определяющих фазовые превращения и распухание сплавов под облучением- отношение парциальных коэффициентов диффузии.

Личный вклад автора. Большая часть результатов, представленных в диссертации* получена лично автором. Идея использования измерений профилей РИС в сплавах после ионного облучения при низких температурах для оценки отношении парциальных коэффициентов диффузии компонентов по междоузельному механизму, атакже идея вв'едепня немонотонной энергии связи атомов Си с кластерами Си как функции размера кластера для описания наблюдаемых функций распределений выделений Си но размерам, принадлежат Голубову С.И.

Автор выносит па защиту:

1.Результаты теоретического исследования РИС компонентов бинарных сплавов в окрестностях различных стоков и ее влияния на их факторы

предпочтения. . , ■

2.Результаты теоретического Исследования влияния облучения на стабильность некогерентных фазовых выделении и на их рост или растворение в бинарных сплавах замещения.

3.Разработанную модель, описывающую эволюцию медных выделений

в сплавах Fe-Cu при термическом отжиге и под облучением. .

4.Диффузионные уравнения, описывающие РИС компонентов бинарных сплавов в случае ионного облучения при ¡тзкнх температурах, нри которых подвижностью вакансий можно пренебречь

5.Мстод определения парциальных коэффициентов диффузии компонентов сплавов по междоузелыюму механизму миграции и результаты применения метода для сплава V-5%Fe. ■ ; ; ; : : ' : > : ^

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Списка сокращений и обозначений, Введения, четырех глав, Заключения и списка Литературы. В тексте объемом 131 страниц содержатся 29 рисунков, 1 таблица и список литературы из 98 наименований. ...."

Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертации, доложены на Всесоюзной конференции "Радиационное Бездействие на материалы термоядерных реакторов" (Ленинград, 1990); VIII Межотраслевой школе по Физике радиационных повреждений твердого тела (Алушта, 1991); III Международной конференции "Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов" (Санкт-Петербург, 1994); Осеннем заседании Американского Общества Исследования Материалов, (Бостон, 1994); III (Севастополь, 1993), IV (Севастополь, 1994), V (Севастополь, 1995) и VI (Севастополь, 1996) Межнациональных совещаниях "Радиационная физика твердого тела"; Международном семинаре "Фундаментальные аспекты физики радиационных повреждении металлов и сплавов" (Обнинск, 1994);

Публикации. Основные 'результаты''-диссертации опубликованы, в i работах (см. перечень в конце автореферата), а также в 8 Te3Hcáx н; конференциях. . - ; • . ••. .... ' / .. • '.'

; '; -9- ■.■ :. . СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В диссертации обоснована актуальность темы исследовании, сформулированы цели работы, указаны ее научная новизна и практическая ценность^ изложены основные положения, выносимые на защиту.

Дается краткий анализ современного состояния теории распухания и фазовых превращений в сплавах под облучением и определяются наиболее перспективные направления исследований.

В диссертации представлены результаты изучения РИС компонентов в неупорядоченных бинарных сплавах замещения около различных, в том числе подвижных, стоков ТД, определению зависимостей СФП' поры от температуры облучения, ее радиуса и концентрации стоков; а также СФП подвижной границы зерна от скорости ее движения. Далее на основании . полученных результатов производятся оценки влияния движения поверхности поры при се росте и переползания дислокаций на их СФП. Для решения этих задач была использована теория возмущений, считая, что коэффициенты . диффузии компонентов * и д сплава как по ваканснонтюму н ^ ), так

" ° • - "АУ uBv

и по междоузельному (^ и ^ ) механизмам отличаются незначительно: ■ ■ ■ . . Ча!' - Чш ;.

Ид1/с?аГ-1|<1. (1)

Получены аналитические выражения для стационарных профилей концентрации ТД и компонентов сплава возле поры радиуса _ в ячейке Внгнера-Зейтца радиуса р , а также для СФП поры. Показано, что с ростом •радиуса поры СФП поры '¿я убывает. При этом в случае идеального раствора компонентов СФП можно представить в виде произведения двух величин: геометрического множителя г и - СФП изолированной поры малого

РЭДиусагдс х0-кг'' к*' интенсивность стока

дислокаций), который зависит только от коэффициентов диффузии и концентраций компонентов сплава:

ву*=в„%10(х0,'г0). (2)

При малом распухании сплава (х0<г0) величина х0 равна:

, Хо=1_1• V ;-

Как видно из (3), значение х0 меняется от 1 до 1/2 с ростом радиуса.

При больших распуханиях, когда радиус поры стремится к радиусу ячейки Вигнера-Зейтца (хо->г0), существенным оказывается диффузионное, взаимодействие пор. В этом случае: ■

т - 1 - 20~Х0 . (4)

0 2 еЛ(2(20-х0)) ' : ■ -

т.е. СФП пор уменьшается с ростом распухания сплава. Этот результат качественно совпадает с выводами работы [2], но полученные выражения' более корректны. Показано также, что СФП поры зависит от величины пересыщения по вакансиям и, следовательно, от температуры облучения только при значительном отличии раствора компонентов от идеального.

Найдены стационарные решения диффузионных уравнений около плоской некогерентной границы, движущейся с постоянной скоростью у в облучаемом бинарном сплаве замещения. Новым по сравнению с работами [2,3] моментом при решении являлось использование следующих граничных условий для концентрации компонента сплава г ■

А

Сд(-0)=С,(+0> ; Сд(±») =СА0; (5)

где ^ - средняя концентрация компонента в сплаве. Получены аналитические выражения для профилей РИС компонентов сплава п СФП, как полного 'в», так и отдельно для областей справа д«* и слева □ от границы. Показано, что профили РИС справа и слева от подвижной поверхности различны, что находится в согласии с экспериментальными ,

даниыми работы [6]. Так в направлении движения границы, начиная с относительно небольшого расстояния от ее поверхности, существует протяженная область, обедненная сегрегирующим компонентом. При этом область измененного состава распространяется на гораздо более далекие расстояния от поверхности, чем возле неподвижного стока. Это свидетельствует о том, что время достижения профилем РИС квазистационарного состояния увеличивается с ростом скорости движения, что подтверждается измерениями профилей концентраций Сг на подвижных границах зерен в сплаве Ре-М-Сг (Брюмером и др. [6]).

На Рис. 1 представлены зависимости полного СФП а также ^ иВсв от скорости движения границы у (ц=Ук/2аК~ безразмерный параметр скорости, где интенсивность внутренних стоков ТД; скорость

генерации ТД; а- термодинамический фактор, эффективное

пересыщение по вакансиям). Как видно, СФП подвижной границы быстро убывает с ростом скорости движения, причем полученная зависимость оказалась более резкой, чем найденные в

1.0

работах [2,3].

Пренебрегая различием в

зависимостях СФП

. ' сс

стоков различных типов \

от скоростей движения

их поверхностей,. ^-0.0

полученные результаты

могут быть

использованы для

оценки влияния

переползания

1- "3=5*10

2- 3=5*10

3- з=5*10"

-4 -5

В|в/Всв(0)

-0.

|И

и * «\1

3

3.0 0.5 1.0 1.5 5

Нормированная скорость

Рис. I Зависимость СФП границы зерна от скорости ее движения

' '•■•.-. ' -12- ■ : Г

дислокаций и движения поверхности поры при ее росте на их СФП. Действительно, скорость распухания 5 связана со скоростью переползания дислокаций у следующим соотношением: .

¿^•ЬЬ; / ; (6)

где интенсивность стока дислокаций; £>- вектор Бюргерса. Считая, что на развитой стадии распухания интенсивность стока дислокаций составляет половину от суммарной интенсивности стока пор и дислокаций ь=к2/2 > можно получить следующую оценку для безразмерного параметра скорости:

: . , иа~ кЬК. О)

Для типичных значений входящих в (7) величин: /с=107>Ю5м'1, ¿-0.3 им, ¿/К= ' %/сна значения иа находятся в интервале от 0.3 до 3. Как видно из Рис. 1, СФП дислокаций должен быть практически равен нулю. Аналогичная ' оценка, проведенная для поры показала, что влиянием движения поверхности . поры при ее росте на ее СФП можно пренебречь.;

Полученные результаты в целом подтверждают основные положения предложенной в [1-3] теории распухания сплавов с учетом РИС компонентов.

Представлены результаты теоретических исследовании влияния облучения на диаграммы фазового равновесия бинарного сплава замещения, а также на рост/растворение частиц некогерентных выделений. Предложена модель, учитывающая влияние возникающих около .некогерентных межфазных границ профилей РИС компонентов сплава на устойчивость и кинетику роста/растворения фаз. Получено аналитическое выражение для радиационного предела растворимости компонента в твердом растворе:

где ' термический предел растворимости компонента а величина

. . -13-

Показано, что радиационный предел растворимости описывается аррениусовой зависимостью от температуры как в рекомбинационном так и в стоковом режимах облучения. При этом эффективные энергии активации, отвечающие этим случаям, зависят от отношения у/а - Кроме того, разница .энергий активации, отвечающих различным режимам облучения, равна

уЕ™/2а. где, энергия миграции вакансий. Эти обстоятельства дают возможность, в принципе, оценивать величину у/а путем сравнения теории с экспериментальными данными по пределу растворимости, полученными при 'различных условиях облучения.

Получейы приближенные аналитические выражения для скорости роста/ растворения фазы у и для пороговой дозы облучения фо, необходимой для начала процесса зарождения и роста радиацнонно-индуцированных или растворения радиационно-подавленныхчастицфаз всплавах под облучением:

К у- сда [с;(Т)р, {9)

VCL+Лфо)2 С/-С/ V -.См )

ч фо=а1-(с/(т)7сдо)^; (ю)

. л (с/ (Т) /Сдо) -1

где скорость генерации ТД; j^1- средний пробег ТД до гибели на стоке или в рекомбинации; 11 СА0~ концентрации компонентов сплава в фазе и в растворе; у- и д- множители, зависящие от отношений парциальных коэффициентов диффузии (у«у). Как видно из ур.(9), зависимость скорости роста/растворения фазы от концентрации компонентов сплава и предела растворимости принципиально отличается от найденной для случая термического старения, когда она пропорциональна с"-С,0- Другими словами; описание процесса роста фазовых частиц под облучением не может быть сведено к простои перенормировке коэффициентов диффузии.

Кроме того,- в диссертации представлены результаты расчетов

--i*-- v •

раднационио-нндуцнрованного растворения фазы с плоской границей, первоначально находившейся в состоянии термического равновесия с раствором, выполненных по специально написанной ЭВМ-программе. Показано, что расчеты качественно согласуются с аналитическим результатами. --■• . ' '..

Предложена модель, которая в едином подходе (при учете всех стадий:, зарождения, роста и коалесценции) описывает эволюцию частиц когерентных фазовых выделений меди в бинарных сплавах Fe-Cu при отжиге и облучении. В основании модели лежит предположение о гомогенном зарождении кластеров. В качестве подвижных объектов (кластеров) рассматриваются только одиночные атомы, которые мигрируют по вакансионному механизму. Ключевыми параметрами модели являются энергия связи ^ ^ атома меди с кластером меди (х- число атомов в кластере) и коэффициент диффузии Си

DCu .-;;'■'■■•;•'.; ■ ' ■..

Разработана ЭВМ-программа и проведены численные расчеты, главная цель которых, используя имеющиеся экспериментальные данные, найти

(-х) и Dqj- Для-этого были использованы результаты работы [8], в которой измерены функции распределения медных выделений по размерам и концентрации меди в растворе в сплаве Fe-l.l%Cu после 2-й 10 часов отжига при 550°С. Метод расчетов сводился к следующему. Система уравнений для функции распределения выделений по размерам решалась при некоторых затравочных и • После сравнения с экспериментальными данными

проводилась коррекция этих величин и расчеты повторялись до тех пор, пока не достигалось хорошего согласия. Поскольку эксперименты свидетельствуют о том, что в сплавах Fe-Cu после термического отжига функция распределений медных выделений по размерам имеет несколько пиков, было предположено, что ответственной за это является немонотонность зависимости энергии связи атома меди с медным кластером от размера кластера. Основанием для этого служит то, что в процессе роста выделений

иаблюдаются фазовые превращения выделений ОЦК- 91? -ГЦК [9].

Лучшая подгонка соответствовала £)Сц=2.76 *10'19м2/с 11 Функции {х) , представленной на Йп2. Погретая функция (х) . 0.6

m

для о

■была использована

расчета по теории Рассела и к

со

Брауна приращения и1"1'4

М 11 к р о т в с р д о с Т ИДНУ *« " н

сплавов от времени их л

.. ' ~ 0.2 отжига. Как показано а о

диссертации, при малых

временах отжига результаты

расчетов оказались ниже

э к с и с р н мент ал ь н ы х

значений, что, по-видимому,

.0.0

tttj—гчтппг]—гттттггц—i i i imrj—í~n

10 10 2 10 ' 10 * 10 3 10 Число атомов меди в кластере

Рис.2 Энергия связи атома меди с выделением.

обусловлено пренебрежением вклада кластеров с диаметром меньше 1 им в приращение предела текучести в теории Рассела и Брауна. При увеличении времени отжига частицы укрупняются и результаты расчетов прекрасно описывают экспериментальные наблюдения.

Разработанная модель была далее использована для расчетов упрочнения сплавов Fe-Cu при облучении. Максимальная величина приращения микротвердости как функция концентрации меди представлена на Рис.3 в сравнении с экспериментальными данными Аугера и др. [10] для электронного и нейтронного облучений при 290°С. Как видно из рисунка, результаты расчетов хорошо согласуются с измерениями при электронном облучении. Большие значения микротвердости при нейтронном облучении, по-видимому, связаны с вкладом в упрочнение генерируемых в каскадах мелких кластеров ТД.

и V л -

- V •...■'• ■ -■ ■ г-

ю .'.•".' ".' ?•

: О .. " ■.' Л:' ■•

• Е ; ■ •¡.-.••'■■Г-.Уг'

^ < 50

б1.о • 0.5 . '. 1.о -'1.5/,".:

Содержание меди (пес. %)

Рис.3 Приращение микротвсрдости сплавов Ис-Си при облучении.

Излагаются теоретические основы метода определения парциальных коэффициентов диффузии компонентов сплавов по междоузельному/ механизму миграции, состоящего в измерении (и сопоставлении с результатами расчетов) профилей РИС компонентов'в'бинарном'.сплаве после, облучении быстрым?! нонами прй температурах, когда подвижностью . вакансий можно пренебречь. Эксперименты подтверждают существование профилей РИС при указанных условиях облучения (в сплаве №А1 после облучения 75 кэВ №+ [11] н а СаАз после облучения 2-8 кэИ Аг+ (12])", однако -теоретический анализ этих профилей до сих нор не проводился. ' Показывается, что для воспроизводства ''.'наблюдаемых профилей РИС ; обычные уравнения диффузии необходимо дополнить новыми членами, учитывающими в явном вцде процессы переползания дислокационных петель и краевых дислокаций, а также сдвиг профиля генерации МЛ в глубь образца * относительно профиля генерации вакансий.

Существование такого сдвига было предложено нами для объяснения наблюдаемой скорости схлопывания пор в № при облучении 50 кэВ №+ при

ни.зких температурах и подтверждено (Рис.4) результатами моделирования имплантации 20 кэВ Bi+ в Si д (Бнерсак [13]). Согласно ^ нашим расчетам по^ программе TRIM, сдвига ^ между профилями МЛ Ki0{x) " вакансийkv0{x) (х-' расстояние от облучаемой поверхности образца):

3.0.

Профили генерации ТД

вакансии

- МА

Si. 20кэВ Bi+ 6 = 4.08А

V—5%Fe, 50кэВ V+ 6=1.5А

0.0 i

»-ГтттттттГ

10 20 30 40 Глубина (нм)

Рнс.4. Расчеты по TRIM.

б = {хК1о<1х/ / К^с/х^хК^с/х//К\.0с!х; (П)

- величина порядка параметра решетки: 1.1А при облучении № 75кэВ 4.1 А- для (20 кэВ В1+). Расчеты показали, что такой сдвиг приводит к значительному, увеличению степени сегрегации компонентов.

Получены уравнения диффузии для точечных дефектов и компонентов сплава, учитывающие указанные выше процессы, а также распыление поверхности бомбардирующими нонами и каскадное перемешивание. В случае облучения бинарного сплава д и в ионами компонента А, уравнение для концентрации компонента л имеет следующий вид:

Эс; Ж

r = tKiA-KvA] +KAon~di v(UCA) ;

(12)

где % и % скорости генерацни.МЛ типа д и образования вакансий за счет смещении атомов; скорость генерации (остановки) ионов; Jщ•

диффузионный поток компонента ^ сплава; ц- скорость' движения облучаемой поверхности относительно точки с координатой х:

' щх) -¡к^с^,- :; : - (13)

• : ' О -■'-.' "'.' "-'..Л---.''-. ' ''.".;-

где и-:р- скорость распыления- поверхности ионами; ,/.- поток МЛ; к?-интенсивность стоков ТД в виде петель и дислокаций с векторами Бюргерса, параллельными оси X (перпендикулярной облучаемой поверхности); коэффициснт диффузии МЛ; с - концентрация МЛ. Первый член в правой части ур.(12) учитывает сдвиг профилей генерации МЛ и вакансий. Два последних члена в выражении (13) описывают движение поверхности относительно узла решетки с координатой 'х, вызываемое распуханием сплава. Расчеты показали, что эти члены ответственны за появление наблюдаемого (см. [12]) дополнительного пика на профиле РИС более подвижного компонента сплава.

Изложены результаты применения изложенного выше метода к сплаву. У-5ат%Ре. Сплав У-5ат.%Рс был выбран для этой цели-в связи с тем, что на настоящий момент он показал рекордное значение скорости распухания , порядка 3%/спа при 500°С [5]. Согласно работе [14], для объяснения экстремально высокой скорости распухания этого сплава необходимо предположить, что атомы: Ие мигрируют быстрее атомов V как по ваканснонному так и по междоузельному механизмам.

С этой целью проведено облучение фольг из сплава У-51;е на ускорителе нонами V* с энергией 50 кэВ в. интервале'доз от 10'9 до 10:1 ион/м2 при комнатной температуре и измерены профили РИС в окрестностях облучаемых поверхностей. . , •

На Рис.5 и 6 представлены данные измерений .и результаты численных расчетов, выполненные для флюенса 10?0 иои/м\

V—5ат. Бе. Т=300К

50КэВ V", :1оп=1.бх1017ион/м2с

Флюенс и — (хЮ20ион/м2) а □ □ а-и 0.1 л^А^л 0.5

1.0 5.0 10.0

'0 20 40 -60 80

Глубина (им)

Рнс.5. Результаты измерений

3

в1-2 И.1

о

9

->1 ч.

0) 1 е 1

*0

30

о. .

|о

я -

§0

7 6 0.5

: 1(Г°ион/мг ■ к,г=0, 5=0 :-:----- . п^— 1

_

- /

^ —5

■

;

... 11 а .. . .... 1 ......... 1 ........ ,

О 20 40 60 Глубина (нм)

Рис.6 Результаты расчетов для флюенса 1020 нон/м1

80

Определено значение отношения коэффициентов диффузии Ре и V по междоузельному механизму к^с11ге/с1г/< соответствующее наилучшей подгонке рассчитанных и экспериментальных профилей сегрегации: я ~ 15.

■ i - f,-20-: >,;; ^ г/Ч.

Для флюенса 1019 ион/м2 лучшая , подгонка получена при & -0.15им, что совпадает с расчетами по программе TRIM, а для флюенса 1020 ион/м2- при б^0.07нм. Из этого сделан вывод об уменьшении - сдвига & с временем облучения. Причиной'может.быть накопление зарождающихся в каскадах кластеров дефектов, которые уменьшают длины цепочек замещающих соударений. Профили РИС, полученные для флюснсов .выше Ю^/м2, расчетами не воспроизводились. Причина этого связывается с тем, что вследствие накопления кластеров ТД при этих дозах нарушается условие термодинамического равновесия между концентрациями МЛ и компонентов сплава, которое использовалось при выводе уравнений.

Установлено, что обедненная железом зона вблизи облучаемой поверхности фольги формируется вследствие распыления атомов Fe, диффундирующих из глубины образца.. Интересно отмстить, что с ростом. дозы облучения наступает состояние, когда гибель МЛ в рекомбинации и iia стоках компенсируется имплантируемыми ионами. При этом ноток МЛ на поверхность фольги достигает квазистацноИарного значения, определяемого выражением: ' -".''■/.-.'. - "••• ': v.'• ' •

|>Тг(05|- (iy'c"-j'k?xDJCjdx; ' 04)

где q- атомный объем. Используя это выражение, получено аналитическое выражение для д . В пренебрежение стоками ТД это выражение имеет следующий вид: •'.

1-<СГв(0)> "Г,_

о

где <с (о)среднее по времени значение концентрации атомов ре около облучаемой поверхности образца; ^ло¡,- плотность потока бомбардирующих ионов. Выражение (15) неплохо согласуется с результатами расчетов при флюенсе 10:о ион/м: и может служить для грубой оценки величины д .

ВЫВОДЫ:

1. В рамках теории возмущении, малыми параметрами которой являлись отличия от единиц отношений парциальных коэффициентов диффузии компонентов сплава нй вакансиоииому и междоузелыюму механизмам, исследована радиационпо-индуцировапная сегрегация (РИС) компонентов бинарных сплавов под облучением и впервые получены аналитические выражения для сегрегационного фактора предпочтения (СФП) поры и СФП

подвижной гранит,! зерна. Показано, СФП поры зависит От концентрации

»

пор и температуры и уменьшается при распухании сплава, а СФП границы зерна "быстро убывает с ростом скорости ее движения. При этом для скоростей переползания дислокаций, характерных для аустеинтпых сталей на установившейся стадии распухания, СФП пренебрежимо мал. Тем самым подтверждаются основные положения теории распухания сплавов с учетом РИС компонентов, предложенной в работах [5-7].

2. Получено аналитическое выражение, описывающее диаграмму фазового равновесия в бинарном сплаве замещения при облучении для случая, когда частицы второй фазы являются некогерентными. Показано:

- отклонение раствора компонентов от идеального может как усиливать действие радиации так й ослаблять его, причем это проявляется тем сильнее, чем больше различие парциальных коэффициентов диффузии компонентов;

- путем сравнения теории с экспериментальными данными по пределу растворимости, полученными при различных условиях облучения, имеется принципиальная возможность оценки соотношений между парциальными коэффициентами диффузии компонентов сплава по ва'канспонному и междоузелыюму механизмам.

3. Получено приближенное аналитическое выражение для пороговой дозы облучения, необходимой для начала процесса зарождения раднацнонно-индуцироваппых или растворения раднационно-подавлепных частиц некогерентных фаз в сплавах под облучением.

4. Получено приближенное аналитическое выражение для скорости

'.. ■■■ . -22- '\'Vv ч-^

роста/растворения некогерентных частиц фаз под облучением. Показано, что ; зависимость скорости роста/растворения фазы от концентраций компонентов : сплава и предела растворимости под облучением качественно отличается от найденной для случая термического старения. ; / . ,

5. Разработана ЭВМ-программа для моделирования процесса зарождения, и эволюции функции распределения выделений частиц медных выделений в. бинарных сплавах Fe-Cu при отжиге и облучении, на основании модели-гомогенного зарождения кластеров и ваканспойного механизма миграции мономеров. В результате расчетов и сопоставления с экспериментальными данными по отжигу получены оценки .'величины коэффициента диффузии атомов меди при температуре 550°С и энергии связи медных, атомов с ' кластерами меди как функция их размеров. Л

6. Показано, что для объяснения нескольких пиков на функциях распределений частиц выделений по размерам, наблюдаемых в экспериментах при термическом старении. бинарных .сплавов Fe-Cu, необходимо предположить, что энергия связи атомов меди с кластерами; является немонотонной функцией их размера. Немонотонность энергии связи, по: видимому, связана с наблюдаемыми фазовыми переходами ОЦК_9к_ГЦК

при росте выделений. ' ;' ■ ... ;.'.•.•'■•.••.••. •'•• ; " "...

7. Показано, что расчеты микротвёрдости сплавов с применением найденной энергии связи атомов меди с кластерами показывают хорошее -/ согласие с экспериментальными значениями как. при отжиге так и при облучении. Последнее означает, что разработанная , модель может быть эффективной для . описания эволюции медных выделений при комбинированном воздействии по схеме облучение-отжиг-облученне.

8. Предложен метод оценки диффузионных нодвнжностей компонентов сплава по междоузельному механизму, состоящий в измерении (и сопоставлении с результатами расчетов) профилен РИС в бинарном сплаве после облучения быстрыми ионами при температурах, когда подвижностью вакансий можно пренебречь. В развитие теоретического базиса метода

-2з-

проведено обобщение диффузионных уравнений, описывающих РИС компонентов бинарных сплавов, для учета следующих особенностей низкотемпературного ионного облучения: сдвига профилей генерации МЛ и вакансий и распухания сплава вследствие переползания дислокационных петель и красных дислокаций. Показано, что сдвиг профилей генерации ТД (5) резко увеличивает степень сегрегации компонентов сплава под облучением, а переползание петель н дислокаций ответственно за появление

наблюдаемого дополнительного ппка на профиле РИС.

, - - »

9. Получены первые результаты по апробации метода на сплаве V-Fe. Проведено облучение фолъг из сплава V-5%Fe па ускорителе ионами V+ с энергией 50 кэВ в интервале доз от 10" до 1017 ноп/м2 при комнатной температуре и измерены профили РИС в окрестностях облучаемых поверхностей. Показано, что в сплаве V-5%Fe атомы Fe мигрируют быстрее атомов V по междоузельному механизму (отношение подвижностей атомов Fe и V равно д =15).

Ю.Выведеио аналитическое выражение для i , неплохо согласующееся с результатами расчетов для сплава V-5Fe и удобное для проведения первичной грубой оценки

Перечень работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Голубое С.И., Конобееп Ю.В., Руднев С.И., Барашев A.B., Кинетика отжига пор в никеле при низкотемпературном облучении ионами никеля / Тезисы докладов 1ГГ Межотраслевого совещания "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 21-26 июня 1993г.).- Севастополь, 1993.-С.20.

2. ГолубовС.И., Барашев Л.В., Ктеорпифазовых превращений в бинарных сплавах замещения под облучением / Труды Всесоюзной копф. "Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов",

. Часть 2, (Ленинград, 18-20 сент. 1990г.). - Ленинград, 1990,- С.379-387.

• ' • ; ' ; - '^."'"v ...-241 • ;;-"■ -'-i'./'".''-'■-': ■ /-¿V/-;.

3. Golubov S.I., Barashcv A.V.; Calculation Of radiation-induced segregation in

binary alloy ion-irradiated at low-temperatures // Plasma Devices and Operations.- Л

. . . .- " " •- ' . . ■■" ■" .' ' '.' " '-■"■' . • - '.. . .-""■ ' 1994.- V.3.- PP.281-286. - ; " : " v; -Ó -V^'V-

4. Golubov S.I.,. Osetsky Yu.N., Serra A., Barashev A.V., The evolution of copper precipitates in binary Fe-Cu alloys during ageing and irradiation // J. Nucl. Mat,- f 1995 - V.226.- PP.252-255.

5. Barashcv A.V., Lysova G.V., Maslov A.V., Golubov S.L, Investigation of mutual diffusion in V-5%Fe alloy via interstitial mechanism / Preprint IPPE-2507.-Obninsk, 1996,- 24P.

6. Барашсв A.B., Голубов С.И,, Сегрегационные факторы предпочтения поры и подвижной границы зерна / Препринт ФЭИ-2518,- Обнинск, 1996.- 21С.

Цитируемая литература

1. Голубов С.И. // Металлофизика.- 1989,- Т. 11(2):- С:10-18.

2. Голубов С.И. / Радиационное материаловедение (Труды Межд. конф., Алушта, 22-25 мая 1990г.), Харьков,- 199Г.г T.2.-C.14I.

3. Golubov S.I. et al. / Materials Science Forum.- 1992,- V.97-99 - P.97.

4. Garner F.A., Tolochko M.B. // J; Nucl. Mater.- 1993..- V.205 - P.98.

5. Matsui H. etal. II Effects of Radiation on Materials: 15th Int. Symp., ASTM STP 1125, eds. R.E.Stoller et al.- ASTM, Philadelphia, 1992.- P.928.

6. Bruemmer S.M. et al. / Microstructure of irradiated materials (Symp. Y, No v. 29-, Dec.l 1994, Boston, Massachusetts, USA), eds. I.M.Robertson et al., Pittsburg, 1995.-V.373.-P.119. ;

I. Wiedersich H. et al. II J. Nucl. Mater.- 1979.- V.83.- P.98.

8. Buswell J.T. et al. / Effects of Radiation on Material, ed. N.H.Packan, R.E.Stoller and A.S.Kumar (14 Int. Symp., II, ASTM STP 1046, 1990) P.127.

9. Phythian W.J., English C.A., // J. Nucl. Mater.- 1993.- V.205.- P.162.

10. Auger P. et al. / Joint 1AEA/NEA Specialists' Meeting on Irradiation Embrittl. and Optimization of Annealing (Paris, France, 20-23 Sept. 1993) P.259.

II. Marwick A.D. et al. // J. Nucl. Mater.- 1979.- V.83.- P.35.

12. Берт H.A. и др. / Материалы X Всесоюз. конф. "Взаимодействие ионов с поверхностью", Звенигород, 3-6 Сент. 1991, Москва.- 1991.- Т.1.- С.87.

13. Biersack J.Р. // Nucl. Inst, and Meth.- 1987,- V.B19&20.- P.32.

14. Голубов С.И. / Отчет ГНЦ РФ ФЭИ. N 8415.- Обнинск,- 1992.- С.8-17.