Структурно-фазовые изменения в материалах при облучении заряженными частицами

Отправной точкой рассмотрения является положение о том, что облучаемый металл находится в существенно необратимом состоянии, так что подходы, реализуемые для равновесных условий, оказываются неприменимыми. При облучении нарушается принцип равновесия, так что стабильное состояние не может быть надежно предсказано на основании принципа минимума свободной энергии [⁶⁵].

Условно процессы фазообразования в результате облучения классифицируются следующим образом [⁶⁶]:

а) радиационно-стимулированные фазы;

б) радиационно-ускоренное фазообразование;

в) радиационно-модифицированные фазы.

Радиационно-стимулированные фазы – это такие фазы, которые образуются только в результате радиационно-стимулированный диффузии, т.е. в обычных термических условиях их нет. По окончании облучения и выдержки материала при этой же температуре радиационно-стимулированные фазы обычно растворяются. Например, под действием облучения электронами в системе Ni-Si наблюдали выделение - фазы на дислокациях, которая не соответствует равновесной диаграмме состояний [⁶⁷].

Для радиационно-стимулированных выделений разрабатываются многочисленные модели. Например, в рамках модели Френкеля-Зельдовича построена кинетическая модель диффузионного роста зародышей, стимулированного ионным облучением [⁶⁸].

Радиационно-ускоренное фазообразование – это образование таких фаз в сплаве, которые могут существовать и в термических условиях, но в результате облучения количество фазы увеличивается, а температурная область ее образования может быть расширена.

Радиационно-модифицированные фазы – это фазы, которые образуются в сплавах при термических условиях, но состав которых изменяется в результате радиационно-стимулированной диффузии.

Одним из таких процессов является радиационное разупорядочение сплавов. Влияние облучения на упорядочивающиеся фазы может быть проанализировано путем рассмотрения баланса двух конкурирующих процессов: разупорядочения в результате атомных замещений в процессе дефектообразования и упорядочения, обусловленного миграцией радиационных вакансий и межузельных атомов.

Показано, что скорость изменения параметра упорядочения S представляет собой алгебраическую сумму скоростей радиационно-стимулированных процессов разупорядочения и термического упорядочивания:

(1.2)

При постоянной интенсивности и температуре облучения величина S приближается к некоторому установившемуся уровню, который не может превышать термически равновесного значения степени порядка при данной температуре [⁶⁹].

При низких температурах радиационно-стимулированное разупорядочение может быть настолько значительным, что стабильные в термических условиях упорядоченные фазы исчезают. В результате либо образуется твердый раствор, либо возникают выделения другой фазы, более стабильной при облучении [⁷⁰, ⁷¹].

В [⁷²] рассмотрен баланс процессов уменьшения объема выделений за счет радиационного растворения или разупорядочения и возрастания выделений в результате зарождения, ускоренного радиационно-усиленной диффузией. Цель этого расчета состояла в определении скорости роста (или растворения) выделений в зависимости от размера и плотности выделений в матрице, а также от температуры и условий облучения.

При расчете полагали, что К=10^-2 с^-1, lf10^-8 м и С_l=0,135. Размер выделения приближается к равновесному значению от исходного большего или меньшего. Равновесный радиус определяется балансом скорости образования выделений из обогащенной примесью матрицы и скорости ухода растворенных примесных атомов из выделений в результате радиационного разупорядочения. Зависимость стабильности выделения от его размера противоположна по характеру обычной зависимости; мелкие выделения оказываются стабильнее крупных [⁷³]. Этот обратный эффект Оствальда является примером использования облучения для изменения пути эволюции системы, по сравнению с термическими условиями. Согласно существующим оценкам, стабильный размер выделений (порядка 100 Å) в целом соответствует результатам исследований относительной стабильности тонкой микроструктуры облученных сплавов [⁷⁴].

Радиационно-стимулированное выделение является результатом облучения как электронами, так и ионами или нейтронами. Следовательно, появление радиационно-стимулированных выделений не зависит от каскадов смещений, а определяется поведением изолированных точечных дефектов.

Образование радиационно-стимулированных выделений наблюдают в очень широкой области потоков облучения (например, в облученном электронами Ni-Si потоки соответствовали скоростям образования смещений от 5,510^-9 до 1,510^-3 с^-1), при этом для появления радиационно-стимулированных выделений в данном случае необходимо выполнение следующего условия: температура облучения должна быть ниже некоторого температурного порога, зависящего от скорости введения дефектов и состава сплава [⁷⁵].