Влияние облучения на дефектную структуру кристалла

Расчеты первично выбитых атомов показывают, что концентрация радиационных точечных дефектов может быть значительно выше равновесной [⁵]. Образованные в результате облучения, точечные дефекты диффундируют к стокам или аннигилируют между собой. В роли стоков для точечных дефектов выступают дислокации, границы зерен, поры, поверхность и т.д.

Диффузия точечных дефектов влияет на пространственные и протяженные дефекты в кристаллах: дислокации, поры, границы зерен, поверхность. Например, во время электронного облучения с энергией 1 МэВ сплавов Fe-10%Cr образуются сложные дислокационные петли с высокой плотностью, в основном, с векторами Бюргерса <100> [⁶].

1.2 Закономерности нагрева, модификации и упрочнения поверхностного слоя сплава при электронном облучении

Под действием электронного облучения в кристаллах и сплавах происходит образование простейших точечных дефектов, связанных со смещением атомов или ионов среды. В результате этого в области дефекта может возникать деформационная неустойчивость, вызывающая появление упругих напряжений. Взаимодействие образующихся полей напряжений с уже имеющимися дефектами способно приводить к их генерации и диффузии, как вне поля радиации, так и в совокупности с ним. Под действием поля деформации возникает диффузия дефектов. Это может вызывать формирование в области одиночного устойчивого точечного дефекта мелких скоплений дефектов того же типа. Развитие деформационно-диффузионной неустойчивости при определенных критических значениях может привести к генерации упорядоченных структур этих скоплений

Как уже было сказано, повышение ресурса работы деталей из (твердых) сплавов в экстремальных условиях эксплуатации относится к актуальным задачам современного материаловедения. Принципиально новым решением указанной задачи является создание в поверхностном слое структурно-неравновесных состояний в процессе их импульсного электронно-пучкового облучения, при котором происходит высокоскоростной нагрев (до 10⁶ град/с) поверхностного слоя сплава до аномально высоких температур с последующим высокоскоростным (10⁴...10⁹ К/с) охлаждением. Высокоскоростное термоциклирование сопровождается процессами межфазного взаимодействия компонентов по неравновесным диаграммам состояния и формированием структурно-неравновесных состояний [5].

Основными факторами, определяющими структурно-фазовое состояние и свойства приповерхностных слоев материала при импульсном электронно-лучевом нагреве, являются нестационарные поля температур и термомеханических напряжений, возникающие в результате передачи энергии электронного пучка мишени [5,6,7].

При исследовании влияния импульсных электронных потоков на свойства металлических сплавов обнаружены формирование концентрационных неоднородностей в сверхтонких приповерхностных слоях, а также изменения в микрокристаллической структуре механических свойствах фольг, зависящие от длительности электронного импульса [8].

Коэффициенты радиационно-стимулированной диффузии точечных дефектов

Рассмотрим некоторые наиболее общие феноменологические модели, позволяющие оценить коэффициенты радиационно-стимулированной диффузии точечных дефектов.

Ускорение диффузии при облучении связано с избыточной концентрацией точечных дефектов: вакансий и междоузельных атомов .

Коэффициенты самодиффузии для вакансионного и междоузельного механизмов можно представить следующим образом [⁷]:

, (1.2)

, (1.2)

где и - геометрические константы типа кристаллической решетки;

и - эффективные частоты перескока вакансий и межузельных атомов;

- длина перескока.

При постоянной скорости введения в кристалл вакансий и межузельных атомов (имеется в виду постоянная плотность потока излучения) динамическая равновесная концентрация точечных дефектов и , а следовательно и и могут быть вычислены из кинетических уравнений их аннигиляции. Теория рассматривает пять механизмов: 1) линейный на постоянно действующих стоках; 2) взаимной рекомбинации дефектов; 3) комбинированный, когда одновременно действуют механизмы взаимной рекомбинации и линейный; 4) комбинированный механизм, когда одновременно действуют механизмы взаимной рекомбинации межузельного атома с собственной вакансией и линейный механизм парной аннигиляции [⁸].

Рассмотрим два последних механизма, как наиболее общие:

Комбинированный механизм. Если дефекты исчезают как за счет взаимной аннигиляции, так и на постоянно действующих стоках, то концентрации вакансий и межузельных атомов рассчитывается по формулам:

(1.2)

где - плотность дислокаций;

- радиус поглощения вакансии дислокацией;

- скорость введения точечных дефектов.

Из приведенных уравнений видно, что , следовательно, в динамическом равновесии коэффициент радиационной диффузии как для вакансионного, так и для межузельного механизма одинаков:

(1.2)

Механизм парной аннигиляции. Предполагается, что часть вакансий аннигилирует с собственными межузельными атомами, а часть оседает на дислокациях. При динамически равновесной концентрации вакансий первого и второго типа выражение для коэффициента радиационной диффузии имеет вид:

(1.2)

Механизмом радиационно-стимулированной диффузии при повышенных плотностях дислокаций следует считать нестационарный комбинированный механизм, характеризующийся монотонным накоплением нескомпенсированных вакансий в результате того, что часть образовавшихся межузельных атомов аннигилируют не на вакансиях, а на дислокациях.

Краткий обзор моделей, учитывающий наряду с моновакансионным механизмом диффузии дивакансионный, представлен в работе [⁹], где анализируется коэффициент диффузии и его температурная зависимость.

Рассматриваемые в литературе модели описывают диффузию точечных дефектов или в термодинамическом равновесии, или рассматривают влияние только одного-двух стоков на концентрацию точечных дефектов.