книги из ГПНТБ / Троицкий О.А. Радиация и прочность твердых тел

ціпі и отодвигает его в область более высоких приложен­ ных напряжении.

Тщательное изучение вопроса влияния облучения на предел текучести показало, что предел текучести должен возрастать пропорционально корню квадратному из до­ зы облучения.

Было т а к ж е отмечено, что возрастание напряжения пластической деформации при облучении не сопровож­ дается очень большими изменениями напряжения, при котором происходит разрушение. Отсюда следует, что облучение приближает предел текучести к пределу проч­

указывалось, протекает весьма сложно. Однако существует универсальная зависимость Петча, связывающая предел те­

собой напряжение решеточного трения, которое противо­ действует движению дислокации в плоскостях скольже­ ния. Оно в свою очередь состоит из двух компонент — напряжения, определяемого высотой потенциальных барьеров в решетке, и напряжения взаимодействия скользящих дислокаций с примесями и другими дефек­ тами решетки.

Второй член в приведенном уравнении специфичен именно для поликристаллов. Он объясняет, как пласти­ ческая деформация передается от одного зерна к друго­ му, благодаря действию источников дислокаций.

Отметим, во-первых, что действию источников дислока­ ций (например, источников Франка-Рида) сильно затрудня­ ется в результате появления радиационных дефектов. По­ мимо этого, по указанным выше механизмам при облучении должно возрасти о, точнее га его часть, которая связана с взаимодействием дислокаций с дефектами решеток. Сильное возрастание а в результате облучения может привести к хруп­ кости металла.

Р е з ю м и р уя результаты по уже рассмотренным меха­ ническим свойствам, следует отметить, что под влиянием облучения модуль упругости несколько повышается, пре­ дел текучести сильно возрастает, предел прочности суще­ ственно не изменяется, а пластическая деформация ма­ териала сокращается .

§ 4. Влияние облучения на ползучесть и релаксацию напряжений

Рассмотрим теперь еще один вид механических испы­ таний—испытания на ползучесть. В этом случае к образ­ цу прикладывается постоянная нагрузка и измеряется пластическая деформация, в зависимости от времени приложения нагрузки.

Ползучесть в твердых телах обусловлена нескольки­ ми процессами, каждый из которых происходит с уча­ стием дислокаций. Наиболее важный процесс связан со скольжением дислокаций. Это особенно заметно на кри­ сталлах, обладающих одной ярко выраженной плоско­ стью скольжения. Так, в кристаллах цинка и графита, которые обладают единственной плоскостью скольжения (0001), называемой плоскостью базиса, отмечается яв­ ление сильной радиационной ползучести и большой ре­ лаксации приложенных напряжений под постоянной на­ грузкой.

Во время облучения в твердом тале возникает пере­ сыщенный раствор вакансий и межузїльньїх атомов, ко­

цессе облучения. Концентрация внедренных атомов во время облучения возрастает. Дислокации начинают пе­ реползать за счет поглощения имеющихся внутренних атомов. Те дислокации, переползанию которых способ­ ствуют внутренние напряжения, начнут двигаться рань­ ше дислокаций, переползанию которых препятствуют внешние напряжения . Суммарные напряжения, при ко­ торых протекает ползучесть, определяются переползани­ ем целой сетки дислокаций, существующих в кристалле.

Д е ф о р м а ц ия ползучести определяется балансом сил, действующих на сетку дислокаций. Если облучение осу­

ся очень большая релаксация напряжений при действии облучения. При детальном анализе условий облучения и деформации этих твердых тел можно прийти к замеча­

ределяется движением и трансформацией двумерной дислокационной сетки, расположенной в плоскости бази­ са. Маловероятно (но возможно), что часть дислокаций, расположенных в базисных плоскостях, переползают из одной плоскости в другую. Релаксация напряжений и ползучесть происходят, в основном, за счет скольжения дислокации в базисной плоскости. Это скольжение во время облучения может осуществляться за счет перерас­ пределения точек закрепления дислокаций и облегчения дислокационных реакций во время облучения. Если это так, то, в частности, следует ожидать, что эффект стиму­ лированной радиацией - релаксации напряжений должен быть резко анизотропен в зависимости от того, в каком направлении проводится облучение — вдоль плоскости базиса или перпендикулярно к нему. В первом случае, при совпадении плоскости движения дислокаций с пло­ скостью движения частиц, можно ожидать усиления взаимодействия излучения с линиями дислокаций. Экс­

Таким образом, такой очень частный случай пласти­ ческой деформации, как релаксация напряжений может осуществляться двумя путями — скольжением и пере­ ползанием дислокаций. Первый механизм, подробно рас­ смотренный нами на примере цинка, является более редким явлением, чем второй, т. к. концентрация скользя­ щих дислокаций обычно бывает мала . Поэтому в метал­ лах, подвергаемых облучению, механизм, связанный с переползанием, является более вероятным и хорошо со­ гласующимся с экспериментом.

В поликристаллах, помимо закономерностей ползу­ чести, свойственных монокристаллам, могут наблюдаться ряд специфических явлений. Одно из них заключается в том, что в результате образования смещенных атомов и вакансий во время облучения происходит изменение размеров каждого из кристалликов, образующих поли­ кристалл. При этом изменение размеров каждого из кристалликов в определенных направлениях будет отли­ чаться от среднего изменения поликристалла в целом,

и на поверхности, а т а к ж е за счет пластической дефор­ мации кристалликов, особенно если к образцу приложено, внешнее механическое напряжение.

Релаксация напряжений и ползучесть как в поликри­ сталлах, так и в монокристаллах могут протекать еще по одному механизму. Этот механизм, вообще говоря, не связан с дислокациями, а заключается в наиболее выгод­ ном перераспределении внедренных атомов и вакансий, образующихся при облучении. Присутствие вакансий вы­

Наличие внешних и внутренних напряжений будет влиять на процесс образования скоплений дефектов в местах, энергетически выгодных для точечных дефектов.

Таким образом, облучение оказывает влияние на ре­ лаксацию напряжений и ползучесть в моно- и поликри­ сталлах. Эффекты могут возникать в результате дейст­ вия нескольких механизмов. Наиболее важные из них связаны со скольжением или переползанием дислокаций.

Процесс переползания дислокаций возникает в результа­ те действия напряжений, появившихся от изменения кон­ центрации точечных дефектов. Процесс скольжения дис­ локаций является более частным случаем, имеющим зна­ чение для резко анизотропных структур с легким скольжением по одной ярко выраженной плоскости, пре­

тельном действии облучения, может оказаться непосред­ ственное перераспределение внедренных атомов и вакан­

правило, дают возрастание силы сопротивления движе­ нию дислокаций при взаимодействии их с узлами решет­ ки и со свободными электронами в металле.

Рассмотрим некоторые механизмы рассеяния энергии деформации дислокациями в обоих' областях зависимо­ сти скорости движения дислокаций от приложенных на­ пряжений,

§ 1. Фононные механизмы торможения дислокации

Присутствие в кристалле тепловых колебаний узлов решетки или, как их часто называют, фононного ветра

в кристалле во время облучения. Очевидно, если в про­ цессе облучения материал сильно нагревается, то для

Однако для медленно движущихся дислокаций нагре­ вание решеток будет, наоборот, способствовать проте­ канию термически активируемых процессов и увеличит скорость продвижения дислокаций по решетке (в I об­

тяжения позади них. Соответствующие участки кристал­ лической решетки нагреваются или охлаждаются . Это сопровождается дополнительными потоками фононов и термоупругим рассеянием энергии. Подобный тонкий эффект можно сравнить с ветром, который создает в мет­

ся. В целом, сопротивление движению возрастает с уве­ личением скорости движения поезда. Облучение по этому

При быстрых сдвиговых деформациях в решетке, ко­ торые возникают при нагружении материала с высокими скоростями, становится существенным механизм фонон-

нон вязкости, поскольку время элементарных актов де­ формации в решетке становится соизмеримым со време­ нами релаксации в системе фононов. В этом случае равновесие между ветвями фононного спектра с различ­ ными направлениями движения фононов определяется механизмом фононной вязкости. Возвращаясь к аналогии

определяется наличием самого воздуха как тормозящей среды. Этот механизм оказывает существенное влияние на скорость оттока энергии от дислокации, особенно при больших скоростях движения дислокаций. Влияние облу­ чения по этому механизму па скорость движения дисло­ каций во I I области скоростного графика однозначно — скорость дислокаций должна уменьшиться. Однако эффект может быть мал, если во время облучения суще­

в потенциальном рельефе решетки. Если ограничиться рассмотрением первой гармоники излучения, то эффект очень мал и обусловливает линейное спадание эффектив­ ной вязкости при уменьшении скорости дислокации. Об­

широким, благодаря неравномерному движению её в ис­ порченном потенциальном рельефе решетки. Таким об­ разом, в облучаемом кристалле трение дислокаций об решетку возрастает.

Существует еще такой тонкий эффект, как комбина­ ционное рассеяние фононов в поле движущейся дислока­ ции. При этом дислокации изменяют свою энергию на некоторую величину, причём стоксова компонента (когда дислокация теряет энергию) преобладает над антисток­ совой (когда дислокация приобретает энергию), по­ скольку фононы стремятся отнять энергию от колеблю­ щейся дислокации и приравнять её энергию к средней тепловой энергии в кристалле. В облучаемых кристаллах эффективное торможение дислокаций по этому механиз­ му должно возрасти.

Наконец, для околозвуковых и сверхзвуковых дисло­

го излучения в части фононного спектра. Не исключено, что в этой области будут наблюдаться интересные эффек­ ты взаимодействия потока быстрых частиц с движущи ­ мися дислокациями. Это еще совершенно не разрабо ­

торможения дислокаций отметим, что к а ж д ы й из них может способствовать увеличению эффективной вязко­ сти облучаемых кристаллов, особенно во I I области ско­ ростного графика.

§ 2. Электронные механизмы торможения дислокаций

Советскими и японскими учеными было показано, что введение сверхпроводящего состояния в металле сопро­ вождается понижением сопротивления металла пласти­ ческому деформированию. Этот эффект был открыт на ниобии и свинце. Стало возможным говорить о влиянии газа свободных электронов на процессы зарождения, перемещения и взаимодействия дислокаций. Можно считать теперь твердо установленным, что газ свободных электронов при низких температурах оказывает тормо­ зящее действие на движущиеся в металле дислокации.

Металл представляет собой решетку положительно заряженных ионов в газе свободных электронов. К числу свободных электронов, как указывалось в I главе, отно­

как высокая электропроводность и теплопроводность, которые выделяют его среди остальных материалов. Н а с 'будут интересовать электропроводность и взаимодейст­ вие электронов с решеткой положительно заряженных ионов, точнее, с дислокациями, движущимися по этой решетке.

Обладая волновыми свойствами, электроны практи­ чески беспрепятственно двигаются в идеальных участ­ к а х кристаллической решетки и в то же время интенсив­ но рассеиваются на различных несовершенствах ионного

остова металла, в частности, на дислокациях, а т а к ж е на примесных атомах. Именно поэтому при низких тем­ пературах газ свободных электронов оказывает тормо­

никнуть ускоряющая сила. Необходимым условием уско­ рения дислокаций внутри металла является превышение дрейфовой скорости электронов над групповой скоростью упругих волн дислокаций.

При облучении кристаллов на ускорителе электронов такое условие заведомо выполняется. Если поток уско­ ренных электронов направить на растягиваемый кри­

случае при ускорении дислокаций электронами будет иметь место снижение сопротивления материала пласти­ ческому деформированию, а во втором случае эффект будет меньше.

В последние годы аналогичное явление наблюдалось при пропускании через деформируемый металл электри­ ческого тока. Оказалось, что после упругой области, на которую импульсы тока не оказывают действия, наблю­ даются пики деформации при прохождении к а ж д о г о импульса тока. Постепенное исчезновение пиков при остановках растяжения образца и практически мгновен­ ное их возобновление в случае продолжения растяжения указывало, что электрический ток действует только в условиях наличия движущихся дислокаций.

Несколько неожиданный результат получился при сопоставлении величины электропластического эффекта в чистом и легированном металле. Оказалось,, что в ле­ гированных образцах пики деформации существенно больше по величине, чем в чистом металле. В чем ж е

заключается неожиданность этого результата? Если пик» электропластического эффекта целиком связывать с ус­ корением движения дислокаций, то в легированном ме­ талле, содержащем большое число препятствий для дви­ жения дислокаций в виде примесных атомов, казалось,,

билю на шоссе отнюдь не безразлично, в каком направ ­ лении дует ветер. При попутном ветре он может развить. более высокую скорость. Так и дислокации в потенци­ альном рельефе кристаллической решетки: в присутствии искажений и неровностей, примесных атомов и др . пре­ пятствий дислокации все время тормозятся и содействиесо стороны «электронного ветра» для них становится не­ заметным. В чистом ж е металле дислокации бегут прак­ тически беспрепятственно, и попутный «электронный ве­ тер», казалось бы, должен был их разогнать до оченьбольших скоростей. Поэтому-то и странно, что в легиро­

жений дислокации рождаются и двигаются в металле в. большом количестве, обеспечивая определенную скорость, деформации образцов. Во время прохождения импуль ­ сов тока мгновенно выталкиваются на поверхность кри­ сталла десятки и сотни тысяч дислокаций. Это регистри­ руется датчиком испытательной машины как пик на, диаграмме деформации. Сразу после импульса тока объ­ ем металла становится беднее дислокациями, что отра­

дислокаций.