Пространственное распределение элементов в твердых растворах при облучении пучком электронов

Были проведены расчеты концентрации компонентов в конструкционных и инструментальных сталях 40Х, 4Х5МФС, сплавах 36НХТЮ и 40ХНЮ, в системах с покрытиями из никеля и хрома: хром-молибден, хром-вольфрам, хром-железо, никель-хром-железо (сталь 40Х), алюминий–монокристалл кремния и т.д. Перечисленные стали используются в промышленности, часть металлических систем являются модельными. Выбор данных материалов также обусловлен наличием экспериментальных данных по перераспределению элементов, что позволяет провести сравнение модели и эксперимента.

Все исследуемые системы условно были разделены на две группы: системы с первоначально равномерным распределением компонентов (гомогенные системы) и системы с нанесенным покрытием (гетерогенные системы).

За основу расчетов принята система в виде полубесконечного образца на интервале от 0 до 200 мкм, которая облучается потоком электронов с энергией 110МэВ и плотностью пучка 0,11 А/м². Расчеты проводились для двух случаев: при первоначальном равномерном распределении примеси по всей длине образца (гомогенная система), и когда примесь находится на поверхности образца в виде нанесенной пленки (гетерогенная система) [⁶⁰].

Гомогенная система

Расчет перераспределения примеси в системе 0,1Al-Ni (рисунок 28) при облучении пучком электронов показывает, что алюминий диффундирует к поверхности образца (расчетная температура поверхности Т_п=550С). Расчет качественно соответствует экспериментальным данным, полученным при облучении сплава 36НХТЮ (рисунок 9).

Рис. 28. Пространственно-временное распределение Al в никеле, при облучении гомогенной системы Ni-0,1Al пучком электронов. Энергия электронов E=2,75 МэВ, плотность тока j=0,5 А/м², Т_п=550С, [⁶¹, ⁶²].

Поток алюминия к поверхности вызван термодиффузионным механизмом. Отличие между расчетными и экспериментальными профилями вызвано образованием в сплаве 36НХТЮ нескольких фаз с резко отличающимися свойствами, в том числе и коэффициентами диффузии компонентов.

Проведены расчеты концентрации в двух модельных системах ванадий-железо и молибден-железо, данные системы характеризуются наличием непрерывной растворимости в друг друге. Проведенные расчеты свидетельствуют, что происходит увеличение концентрации ванадия и молибдена в приповерхностной области (рисунок 29 и 30). Данные элементы обладают меньшими коэффициентами диффузии по сравнению с железной матрицей, наблюдается преобладание механизма диффузии под действием градиента неравновесных вакансий.

Рис. 29. Распределение V в железе по глубине образца в зависимости от времени облучения электронами. Энергия электронов E=4.2 МэВ, плотность тока j=0,6 А/м², Т_п=650С, [⁶³].

Рис. 30. Пространственно-временное распределение молибдена в железе, при облучении гомогенной системы Fe-0,1Mo пучком электронов. Энергия электронов E=4.2 МэВ, плотность тока j=0,6 А/м², Т_п=650С [⁶⁴].

1.2.3 Внутренние напряжения в материале при электронном облучении

Измерять поля термомеханических напряжений, возникающих в результате передачи энергии электронного при облучении материалов достаточно сложно, эти величины обычно определяют теоретически. Поле напряжений состоит из двух компонент: упругой или упруго-пластической волны напряжений, распространяющейся от поверхности в глубь мишени, и квазистатических напряжений, которые в случае массивной мишени сосредоточены в зоне теплового влияния. Параметры упругой волны напряжений можно определить из решения несвязанной системы уравнений термоупругости в предположении, что в материале при нагреве отсутствуют фазовые превращения. В случае плоского напряженного состояния квазистатические напряжения можно вычислить, решая уравнение движения пластины [7].

На Рис. 1 приведены зависимости квазистатических напряжений _п от времени для железа, на различных глубинах облученного электронным пучком [7].

Рис. 1. Зависимость квазистатических напряжений _п от времени для железа (толщина образца 400 мкм), облученного электронным пучком (2.5 Дж/см² ,2 мкс), на различных расстояниях от поверхности (мкм): 1-0; 2-1; 3-2; 4-5 и 5-10.

Эти напряжения являются сжимающими в плоскости поверхности, а их величина существенно превышает предел текучести железа, что подтверждается экспериментально. После полного остывания, согласно [7], в поверхностных слоях формируются небольшие (40-80 МПа) остаточные растягивающие напряжения.