Методическое пособие 802

УДК 546.831:621.039.532.6

А.В.Мац, Н.A.Черняк, А.Н.Морозов, В.И.Журбa

ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ ИОНАМИ ДЕЙТЕРИЯ НА МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА НИКЕЛЯ

Представлена эволюция структуры поверхностного слоя никеля под действием ионов дейтерия при увеличении дозы облучения. В процессе облучения никеля ионами дейтерия формируется структура, которая контролирует скорость и температуру десорбции дейтерия. Концентрация диффузных путей, а не уровень упруго-деформированного состояния кристаллической решетки Ni обуславливает перемещение ионов дейтерия к поверхности.

Ключевые слова: никель, имплантация дейтерия, магнитные свойства, диффузные пути дейтерия в никеле.

Накопление водорода в конструкционных и функциональных материалах является чрезвычайно опасным явлением, которое ведет к водородной деградации материалов и возможным непредвиденным разрушениям оборудования. Деградация материалов усиливается вследствие взаимодействия водорода со всем спектром дефектов кристаллической структуры твердого тела: примесями внедрения и замещения, вакансиями и их комплексами, дислокациями и их скоплениями, границами субзерен и зерен, фазовыми составляющими и т.д..Температурные, механические, радиационные и имплантационные влияния вызывают в металлах, сплавах и сталях дополнительные перманентные структурные изменения: индуцированные фазовые превращения, увеличение плотности дислокаций и вакансий, образование пор. Все это усиливает накопление водорода и ведет к потере пластичности, а в дальнейшем к разрушению [1-2].

Магнитные свойства ферромагнетиков сильно зависят от дефектности кристаллического строения, чем обусловлены появления магнитного гистерезиса и магнитного последствия. В облученных кристаллах наряду с дислокациями имеют значения так называемые зоны повреждений [3]. Сведения о коэрцетивной силе Нс позволяют судить не только о степени дефектности ферромагнетика, но и о доминирующем типе дефектов и их распределении.

Результаты исследований, связанные с захватом, удержанием и десорбцией ионноимплантированного дейтерия в никель, представлены в работе [4]. Показано, что структура спектра термодесорбции (ТД), распределение количества выделенного дейтерия являются функцией дозы облучения. Считается, что пики термодесорбции обусловлены диффузией водорода и его высвобождением из различного типа ловушек – междоузлий и дефектов кристаллической решетки, возникающих в процессе облучения. В настоящей работе приведены результаты исследований формирования дефектной структуры и упругих напряжений в поликристаллическом Ni после облучения дейтерием различными дозами.

Экспериментальная процедура. Для исследований использовались образцы поликристаллического никеля чистотой 99.98 вес %. Образцы в виде дисков диаметров 10 мм и толщиной 0.05 мм вырезаны из отожженной фольги. Они закреплялись в мишенном устройстве, позволяющем охлаждать жидким азотом образец до 78 К. Облучение дейтерием (D+) проводили на установке [5]. Облучение велось пучком ионов с энергией 12 кэВ, плотностью тока 3 мкА/см2 при температуре 78 K в интервале доз 1 1015 D/cm2 – 5.5 x1018 D/cm2. Низкая температура выбрана для ограничения диффузионной подвижности дейтерия в образцах и изучения его поведения в широком диапазоне концентраций, создаваемых в имплантационном слое.

Измерения магнитных характеристик никеля проведены в замкнутой магнитной цепи по схеме пермеаметра, при этом образец в форме пластины располагался в аксиальном (перпендикулярном к его плоскости) поле.

Исследование структуры проводилось с помощью электронной микроскопии (ТЕМ) на просвет при ускоряющем напряжении 100 кВ.

_________________________________

© Мац А.В., Черняк Н.A., Морозов А.Н., Журбa В.И., 2019

30

Изучение температурных диапазонов десорбции дейтерия осуществлялось методом термодесорбционной спектроскопии. Дозированное введение дейтерия осуществлялось имплантацией ионов D+. С целью уменьшения влияния фонового водорода, имеющегося в образцах и в камере мишеней, в экспериментах использовался изотоп водорода - дейтерий. Образцы крепились на фольги-нагреватели из стали Х18Н10Т 5×45×0.3 мм3. Измерение температуры осуществлялось хромель-алюмелевой термопарой ХА, прикрепленной к нагревателю.

Результаты и их обсуждение. На рис.1 представлена зависимость коэрцетивной силы от дозы имплантированного дейтерия. Необходимо отметить появление немонотонностей после облучения дозой, больше 2×1018 D/см2, которые связаны с усилением неравномерности распределения дефектов радиационного происхождения – скоплений дислокаций или других локальных искажений. В интервале доз до 2×1018 D/см2 зависимость подчиняется закону Нс ~ D - 1/2, что хорошо согласуется со скоростью накопления дислокационных групп - Нс ~ Ѵn, где n – плотность этих групп [6]. Последующие немонотонности (см рис. 1) обусловлены развитием конкурирующих процессов накопления и релаксации радиационно - стимулированных упругих напряжений.

Рис. 1. Относительная зависимость коэрцетивной силы Нс никеля от дозы имплантированного дейтерия. За единицу принята коэрцетивная сила исходного отожженного никеля

Считается, что при облучении твердого тела заряженными частицами с небольшими энергиями вся их энергия поглощается в сравнительно тонком поверхностном слое. Однако, исследования, например, механических характеристик материалов, облученных с энергиями 10 – 150 кэВ и дозами 1016 – 1020 D/см2, свидетельствуют о распространении модифицирующего влияния на глубины, существенно превышающие слои ожидаемых ионных пробегов [7]. При низких температурах облучения (Т < 300 К) на аномально больших расстояниях от поверхности возникают локальные концентрации радиационных дефектов и упругих искажений, отвечающие за изменение структурно-чувствительных свойств, предположительно, по атермическим механизмам. Этим объясняется актуальность структурных исследований никеля облученного при 78 К различными дозами.

Электронно микроскопические исследования показали, что в результате бомбардировки ионами дейтерия в кристаллической структуре никеля возникают протяженные области упругих искажений (на снимках это изгибные контуры (см. рис. 2). Это является следствием синхронного сдвига атомов из равновесных положений в плоскостях легкого скольжения. Такие области можно классифицировать как каскады смещений, релаксирующие путем возникновения стенок одноименных дислокаций. В процессе исследований были проведены оценки плотности дислокаций (ρ) в контурах, азимутальных составляющих (ω) разориентировок микрообластей, разделяемых изгибными контурами, значений касательных напряжений (τ) в контурах по радиусу кривизны и на удалении от источника напряжений по изгибу отдельно стоящей дислокации.

31

Так, при D=1,75 D/см2 и максимальном значении Нс ρ составляет 3×1011 см-2, ω достигает 5 ρ, τ в контуре – 240 - 50 МПа, а на расстоянии 150 - 180 МПа (рис. 2б). Увеличение дозы имплантации до 3×1018 D/см2 приводит к уменьшению коэрцетивной силы. В структуре фиксируются релаксационные процессы, достаточно обосновано связанные с взаимодействием вакансий радиационного происхождения с дислокациями и аннигиляцией последних. При этом ρ не превышает 1011 см-2, разориентировки уменьшаются до 2 ρ, а остаточные напряжения в свободных местах не превышают 80 МПа. Отмечается зарождение малоугловых границ, как начальная стадия формирования ячеистой структуры (см. рис 2с).

Рис. 2. Структура никеля: исходная (а) и после облучения ионами дейтерия дозами:

1.7×1018D/см2 (b) и дозой 2.4×1018D/см2 (с)

Дальнейшее увеличение дозы облучения вновь приводит к дефектонакоплению, снимающемуся сбросом запасной энергии. Можно утверждать, что структура облучаемого никеля обуславливается следующими взаимосвязанными процессами: радиационным дефектообразованием, обменом энергией между налетающими частицами и электронами решетки, релаксацией упругих искажений. Совокупность этих процессов обуславливает развитие ра- диационно-стимулированных диффузии, упорядочения, агрегации, образования соединений (гидридов), аморфизации, растрескивания.

На рис. 3 приведены спектры термодесорбции дейтерия, имплантированного в никель, полученные для различных доз облучения. Видно, что при дозах, выше 2.1×1018 D/см2 происходит качественное изменение спектра термодесорбции дейтерия, проявляющееся в появлении низкотемпературной области десорбции дейтерия, свидетельствующее о появлении нового фазового состояния, которое можно рассматривать как образование гидрида. Вывод об образовании гидрида сделан на основе данных, полученных нами при изучении спектров термодесорбции дейтерия из Pd [8] и аустенитной коррозионно-стойкой стали Х18Н10Т [9],

атак же [10-15].

Вэтих работах показано, что образование гидридов отображается в спектре термодесорбции дейтерия появлением более низкотемпературных пиков. Этот факт коррелирует со снижением искажений в кристаллической решетке и появлением дислокационных границ, как активных диффузионных путей. Десорбцию при более высоких температурах (в диапазоне температур 350-500 К, см рис 3: кривые 3-6) при низких концентрациях дейтерия в никеле следует, вероятно, связывать с удержанием его в сильноискаженных областях (рис.2 б).

Выводы.

Представлена эволюция структуры поверхностного слоя никеля под действием ионов дейтерия при увеличении дозы облучения.

Впроцессе облучения никеля ионами дейтерия формируется структура, которая контролирует скорость и температуру десорбции дейтерия.

Концентрация диффузных путей, а не уровень упруго-деформированного состояния кристаллической решетки никеля обуславливает перемещение ионов дейтерия к поверхности.

32

7.Шалаев А.М., Адалинко А.А. Радиационно-стимулированное изменение электронной структуры. – М.: Атомиздат, 1977. - 176 с.

8.Rybalko V.F., Morozov A.N., Neklyudov I.M., Kulish V.G. Observation of new phases in Pd-D systems. - Phys.Lett. 2001. - Vol. 287A. - 175-182 p.

9.Morozov O., Zhurba V., Neklyudov I., Mats O., Rud A., Chernyak N., Progolaieva V. Structural transformations in austenitic stainless steel induced by deuterium implantation: irradiation at 100 K. - Nanoscale Research Letters, 2015. - Vol. 10. - 154.

10.Звягинцева, А.В. Температурные интервалы десорбции дейтерия из Ni–In композитов

/А.В. Звягинцева, А.Н. Морозов, И.М. Кирьян // Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами. IHISM´14. Сборник докладов Пятой Международной конференции и Девятой Международной школы молодых ученых и специалистов им. А.А. Курдюмова / Под ред. Д-ра техн. наук А.А. Юхимчука. - Саров: ФГУП «РФЯЦ–ВНИИЭФ», 2015. - С. 106-119.

11.Звягинцева, А.В. Современные накопители водорода на основе гибридных функциональных материалов / А.В. Звягинцева, А.О. Артемьева // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2017. - Т. 13. - № 5. - С. 133-138.

12.Zvyginceva A.V., Morozov O.M., Zhurba V.I., Progolaieva V.O. Effects of Deuterium Concentration on Deuterium Desorption Temperature Range from Ni - In Composites. Scientific Journal. Proceedings of the international conference. Nanomaterials: applications and properties. Vol. 2 No1, 01NTF37(3pp) (2013).

13.Звягинцева, А.В. Математическая модель водородной проницаемости металлов с примесными ловушками при наличии внутренних напряжений различной физической природы / А.В. Звягинцева // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. - 2019. - № 19-21 (303-305). - С. 29-44.

14.Zvyagintseva, A.V. Hydrogen permeability of nanostructured materials based on nickel, synthesized by electrochemical method. В сборнике: Proceedings of the 2017 IEEE 7th International Conference on Nanomaterials: Applications and Properties, NAP 2017 7. - 2017. - С. 02NTF41.

15.Звягинцева, А.В. Математическая модель водородной проницаемости металлов с примесными ловушками при наличии внутренних напряжений различной физической природы / А.В. Звягинцева // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. - 2019. - № 19-21 (303-305). - С. 29-44.

Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина

O.V. Mats, N. Chernyak, O. Morozov, V.I. Zhurba

INFLUENCE OF IRRADIATION WITH DEUTERIUM IONS

ON THE MAGNETIC PROPERTIES OF NICKEL

The paper considers the evolution of the structure of the nickel surface layer under the action of deuterium ions with increasing radiation dose. The kinetics of structural transformation development in the implantation steel layer was traced from deuterium thermodesorption spectra (TD) as a function of implanted deuterium concentration. The sample structure was examined by means of transmission electron microscopy at a voltage of 100 kV. The magnetic characteristics of nickel were measured with a bar-and-yoke permeameter. It is shown that the formed structure controls the rate and temperature of desorption of the implanted deuterium ions.

Key words: nickel, implantation of deuterium, magnetic properties, diffuse pathways of deuterium in nickel.

National Science Center “Kharkiv Institute of Physics and Technology”, Kharkiv, Ukraine

34

УДК 614.841:69

С.А. Сазонова1, С.Д. Николенко1, В.Ф. Асминин2, А.А. Осипов1, А.В. Звягинцева1

ЧИСЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОЖАРА ДЛЯ ПОМЕЩЕНИЙ

Статья посвящена численной реализации математической модели пожара для помещений, записанной в безразмерном виде. В принятой за основу для вычислений математической модели пожара, усредненные термодинамические параметры состояния в совокупности входят в состав уравнений состояния, материального баланса пожара, кислородного баланса, баланса продуктов горения, баланса инертного газа, энергии и начальных условий. Приведены результаты вычислений. Выполнен анализ полученных результатов.

Ключевые слова: математическая интегральная модель пожара, численная реализация, пожарная безопасность, стадии пожара, начальная стадия пожара, развитие пожара.

При рассмотрении интегральной математической модели пожара в помещении среднеобъемными параметрами состояния газовой среды в произвольный промежуток времени t [1].

Для условий в окружающей среде необходимо знать значения параметров: температуру Тв; давление pa; плотность ρа; концентрацию кислорода, углекислого газа и азота соответ-

ственно x1, x2 и x3.

Перед пожаром для параметров газа в помещении справедливы соотношения Т0m = Tа,

р0m = ра, ρ0m = ρа.

Для численной реализации используем уравнения интегральной модели пожара, запи-

При

Для расходных функций γв и γг запишем формулы:

Рассмотрим расчет в среде MathCAD. Исходные данные следующие: pa:

h:= 5м

F1:=

Iп:=

cp:= 1006 Дж/кг/град L1:=4 кг/кг

_________________________________

© Сазонова С.А., Николенко С.Д., Асминин В.Ф., Осипов А.А., Звягинцева А.В., 2019

35

4.Николенко, С.Д. Автоматизация расчетов по интегральной математической модели времени эвакуации людей при пожаре / С.Д. Николенко, С.А. Сазонова // Моделирование систем и процессов. - 2017. - Т. 10. - № 1. - С. 43-49.

5.Николенко, С.Д. Обеспечение безопасности земляных работ с применением расчетов прикладной механики / С.Д. Николенко, С.А. Сазонова // Моделирование систем и про-

цессов. - 2016. - Т. 9. - № 4. - С. 47-51.

6.Квасов, И.С. Оценивание параметров трубопроводных систем на основе функционального эквивалентирования. В книге: Понтрягинские чтения - Х / И.С. Квасов, С.А. Сазонова, В.Е. Столяров. Воронежский государственный университет, 1999. - С. 219.

7.Квасов, И.С. Синтез систем сбора данных для распределительных гидравлических сетей . В сборнике: Информационные технологии и системы Материалы III Всероссийской научно-технической конференции / И.С. Квасов, С.А. Сазонова, В.Е. Столяров. Воронеж,

1999. - С. 113-115.

8.Сазонова, С.А. Решение вспомогательных задач диагностики утечек для обеспечения безопасности функционирующих трубопроводных систем / С.А. Сазонова // Моделирование систем и процессов. - 2015. - Т. 8. - № 1. - С. 57-59.

9.Асминин, В.Ф. Методика оценки акустической эффективности подвижных вибро-

демпфирующих покрытий с магнитной фиксацией / В.Ф. Асминин // В сборнике: Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса сборник научных трудов. под редакцией В. С. Петровского; М-во общ. и проф. образования Рос. Федерации, Воронежская государственная лесотехническая академия. Воронеж, 1997. - С. 100-103.

10.Осмоловский, Д.С. Пути снижения шума от круглопильных деревообрабатывающих станков применением вибродемпфирования с сухим трением в узле крепления пильного диска / Осмоловский Д.С., Асминин В.Ф. // В сборнике: Леса России в XXI веке материалы первой международной научно-практической интернет-конференции. - 2009. - С. 257-259.

11.Чабала, Л.И. Экологическая безопасность человека / Л.И. Чабала, А.В. Звягинцева, В.А. Чабала // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. -

Т. 6. - № 2. - С. 100-102.

12.Osmolovsky, D.S. Reducing noise from round woodworking machines by applying vibration damping friction pads between the saw blade and the clapmping flange / D.S. Osmolovsky, V.F. Asminin, E.V. Druzhinina // Akustika. - 2019. - Т. 32. - № 1. - С. 138-140.

13.Звягинцева, А.В. Современные накопители водорода на основе гибридных функциональных материалов / А.В. Звягинцева, А.О. Артемьева // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2017. - Т. 13. - № 5. - С. 133-138.

14.Звягинцева, А.В. Современные проблемы оценки последствий лесных пожаров и методы их решений / А.В. Звягинцева, В.И. Федянин, Д.В. Яковлев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2007. - Т. 3. - № 2. - С. 98-102.

15.Асминин, В.Ф. Вибродемпфирующие покрытия с использованием сухого трения / В.Ф. Асминин // В сборнике: Новое в безопасности жизнедеятельности и экологии Сборник докладов и тезисов докладов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Под редакцией Н.И. Иванова. - 1996. - С. 230-231.

16.Асминин, В.Ф. Функциональные и конструктивные особенности облегченных звукоизолирующих панелей / В.Ф. Асминин, Е.В. Дружинина, С.А. Сазонова, Д.С. Осмоловский

//Вестник Воронежского института высоких технологий. - 2019. - № 2 (29). - С. 4-7.

1ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

2ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г. Ф. Морозова»

S.A.Sazonova1, S.D. Nikolenko1, V.F.Asminin2, A.A. Osipov1, A.V. Zvyaginceva1

38

NUMERICAL IMPLEMENTATION OF THE MATHEMATICAL MODEL

OF FIRE FOR ROOMS

The article is devoted to the numerical implementation of the mathematical model of fire for rooms, recorded in a dimensionless form. In the mathematical model of fire, taken as the basis for calculations, the averaged thermodynamic parameters of the state in the aggregate are included in the equations of state, material balance of the fire, oxygen balance, balance of combustion products, balance of inert gas, energy, and initial conditions. The results of calculations are given. The analysis of the results obtained.

Key words: mathematical integral model of fire, numerical implementation, fire safety, fire stages, initial fire stage, fire development.

1Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education

«Voronezh State Technical University»

2Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G. F. Morozov»

39