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

ются лишь

объединения вакансий.

Внедренные

атомы

и их — ансамбли — более редкое

радиационное

повреж­

дение

и их

существование может быть

обусловлено

только

сохранением облученных

образцов

при

очень

низких

температурах

(в большинстве

случаев единицы

и десятки

градусов

Кельвина),

когда

энергия

тепло­

вых колебаний узлов

кристаллической

решетки еще

мала .

о

6-

в

.2

Р и с.

5. Положение внедренного атома и грансцентрировашюй

(а),

объёмноцентрнрованиоп

(б),

гексагональной

(в) и типа

алмаза (г)

решетках.

ложение

внедренных атомов

в гранецентрированной

нальной

(в), и в решетке типа

алмаза (г).

В полярных кристаллах, которые построены из элек­

трически

взаимодействующих

и

противоположно

заря ­

женных

ионов, расположенных

в

соседних узлах

решет­

ки, дело

усложняется тем, что

необходимо сохранение

ионных кристаллах возникают в близком

соседстве сра­

зу две вакансии — одна з а р я ж е н н а я

положительно,дру­

гая отрицательно. Такая пара, в

целом,

я в л я ю щ а я с я

нейтральным дефектом, называется

дефектом

по

Шотт-

ки. Энергия

ее образования

составляет

примерно

2 эв,

т. е. вдвое

больше,

чем одиночной

вакансии.

Энергия

активации

движения

такой

пары должна

быть

т а к ж е

(при сравнении с

большинством металлов) . В алмазе —

в самом

прочном

материале — энергия образования

ва­

кансии

примерно

в четыре раза больше, а энергия

ак­

тех

материалов,

в которых радиационные

нарушения-

оказываются наиболее стойкими и с трудом

отжигают­

ся. В других ковалентных материалах, таких

как

крем­

ний

и германий,

энергия образования вакансий

также-

людаем в облученных материалах. М е ж д у

однотипны­

ми и разнотипными дефектами действуют

как далы-ю-

дящие дефекты

в

направленное

движение

(движение

ж е

само

по

себе

обеспечивается

тепловыми

активация­

ми

в решетке,

находящейся

при

той или иной

темпера­

туре) .

Выше

мы

уже

рассмотрели

простейшее скопление-

д е ф е к т о в — пару

вакансий

по

Шоттки. Могут

образо ­

вываться пары связанных межузельных атомов

или

п а ­

ры

нейтральных

вакансий,

или

дивакансии.

Энергия'

связи дивакансии в металлах составляет примерно 0,5

эв,

а энергия

их

образования

~0,3

эв.

К а к

видим,

ва­

кансиям

выгоднее

существовать,

объединяясь

в дива­

кансии, а не быть самостоятельными. К тому

ж е и энер­

гия

активации

перемещения

дивакансии

существенно'

меньше, чем энергия активации перемещения

вакансий

(соответственно

~ 0 , 6 эв

и ~

1

эв).

Процесс

объединения

вакансий может идти

дальше-

с образованием

комплексов

из

трех,

четырех,

пяти и

т. д. вакансий. Теоретические

расчеты

показывают,

что

точкой.

После нее присоединение дополнительных в а ­

кансий

уже стабилизирует конфигурацию и у м е н ь ш а е т

ее подвижность. Большую роль при росте числа

вакан­

сий в комплексе начинает играть объемная

конфигура­

ция скопления. Так, в

меди

была

найдена

устойчивая

конфигура­

ция из четырех вакан ­

сий

в форме

тетраэдра

с

атомом

в центре,

(рис.

6).

Энергия связи

такой

конфигурации

оказа­

лась

равной 0,54-2,8

эв,

а

энергия

активации

движения — уже

по­

рядка

2 эв. Таким

обра­

зом,

объединившись

в

конфигурации

из

четы­

'Рис. 6. Устойчивая

конфигурация че­

рех дефектов,

вакансии

становятся

малопод­

тырех вакансий в решетке меди в форме

тетраэдра с атомом в

центре (гранецен-

вижными .

трированная кубическая решетка).

Что

касается

внед­

ренных

атомов, то

про­

когда одно место в решетке занимается двумя

атомами

одновременно,

естественно,

с

некоторым

потесыением

соседей вдоль плотной упаковки атомов. Гантельная

кон­

фигурация внедренных атомов показана на рис. 7.

Как уже

указывалось,

в

конечном итоге

межузель-

•иые

атомы,

если их

объединению ничего

не

мешает,

•стремятся образовать

плоские

скопления в

виде

лиш­

них

атомных

плоскостей

в

кристаллической

решетке.

Наиболее подходящим местом для вклинивания

этих

•плоскостей в решетку являются места между

плотно-

упакованными

плоскостями,

т. е. плоскостями,

обладаю ­

нормам к

ним, являются наибольшими в решетке. Имен­

но

в этих

местах

удобно размещаются плоские скопле­

ния

внедренных

атомов. С такими местами связана ми-

зырька он постепенно принимает дискообразную

форму,,

а затем

может вообще захлопнуться опять ж е

с обра­

зованием

дислокационной

петли.

Отметим одну важную

особенность образующихся

возможно, будут устранены

вакансионные

петли,

петли

из внедренных атомов останутся нетронутыми

или толь­

ко уменьшатся в количестве.

К

вопросу

о

дислока­

циях мы вернемся еще позже.

Существуют два пути образования скоплений дефек­

тов. Первый путь заключается в постепенном

объедине­

нии однотипных дефектов и образовании скоплений

в

неповрежденной до этого области решетки. Такой

путь

называется гомогенным зарождением

скопления.

Не ­

большие скопления дефектов остаются подвижными,

но

после встречи с себе подобными

закрепляются

и с л у ж а т

в дальнейшем центрами конденсации других

дефектов

этого

типа.

Второй путь заключается в гетерогенном

зарожде ­

нии скоплений. При этом конденсация

дефектов проис­

ходит

на уже имеющихся в

кристалле

несовершенствах

жить скопления

примесных

атомов,

границы

з е р е н ' и

дислокации.

Второй путь

более реален

и чаще

встречается

по той

совершенств в

кристаллах

на зарождение

скоплений

внедренных атомов и вакансий.

Примесные

атомы в кристаллах

служат

центрами

притяжения для внедренных

атомов

и вакансий,

обра­

зующихся при

облучении.

Дислокации служат

т а к ж е

каций

эти механизмы резко

отличаются.

В разделе, посвященном дислокациям, эти вопросы

рассматриваются более подробно. Отметим здесь

толь­

ко, что в окрестностях краевых дислокаций

имеются

растянутые

области

(в- направлении

оборванного

края

экстраплоскости). Именно в эти места стремятся

пере­

меститься внедренные атомы. Здесь они могут

образо­

вывать целые

атмосферы (атмосферы

Коттрелла),

кото­

рые

препятствуют

перемещению дислокаций

или, в

случае медленного движения

дислокации, перемещают­

ся за

ней как хвост.

В

случае ж е винтовой 'дислокации,

которая

не

обла­

они ж е при своем движе ­

нии,

или

просто выступая

стоком для точечных де­

фектов,

уменьшают

число'

точечных

дефектов,

спо­

собных

к

объединению

в

скопления. Например,

эк­

страплоскость

в

краевой

дислокации

может

интен­

сивно поглощать внедрен­

ные

атомы,

увеличиваясь

в

длине,

или

поглощать

вакансии,

наоборот,

сок­

р а щ а я с ь

в

длине.

Центром

зарождения

Р и с .

9. Перемещение

ступеньки на

скопления

дефектов

мо­

гут

служить

т а к ж е

пики

дислокации, в

зависимости от того,

смещений,

возникающие

присоединяется

«пі к пей

вакансия

или внедренный

атом.

во время облучения

мате­

риала

нейтронами.

При

плотности потока

нейтронов-

2

jQia

нейтрон

за

неделю

в меди образуется

примерно

101 6

см'сек,

внедрен­

скоплений

ных

атомов

и

несколько

меньше

скоплений

вакан ­

сий. Причем

расчеты

показывают,

что

скопления

вне­

дренных атомов

содержат

около

100

дефектов,

а

скоп­

ления вакансий — до 200.

Если

облучение

проводится

длительное

время, то

скорость

образования

скоплений

может уменьшиться

в

связи

с тем,

что

возникнет

пере­

крытие областей

повреждений,

и ранее

образовавшиеся

динения

радиационных

дефектов

или

непосредственно

во время

облучения, поэтому наиболее естественно ожи­

дать,

что

в результате

облучения

существенно увели­

чится

напряжение, необходимое д л я

начала пластичес­

опять

будет

соответствовать

термодинамическому

рав­

новесию. При понижении температуры, наоборот,

часть

дефектов исчезнет тем или иным

путем.

В

случае

облучения решетки

быстрыми

частицами

число

вакансий и внедренных

атомов резко

увеличива­

ется и становится в вопиющее противоречие

с термоди­

венно, кристаллическая

решетка

стремится

избавиться

от навязанных ей извне

лишних

дефектов.

В связи с

тов,

в

ходе

чего

уменьшается

общее

число вакансий

и

внедренных

атомов.

Таким

образом, когда

концентрация

дефектов

в

твердом

теле превышает

равновесную

концентрацию,

то эти

дефекты

начинают

двигаться,

взаимодействовать

друг

с

другом,

с внутренними

стоками в

кристалле,

а

т а к ж е

с

поверхностью образца

с тем,

чтобы уменьшить

ностью

исчезнуть лишние

дефекты,

а вместе

с ними

исчезнут и те

изменения

свойств

материала,

которые

были

связаны

с облучением.

дефектами. Скопления

четырех,

пяти

и

т. д. стано­

вятся у ж е малоподвижными,

но

и они

в процессе отжи­

га могут увеличиваться

или

уменьшаться

в зависимое-

ти от того

однотипный или

противоположный

дефект

подходит к скоплению. Таким

образом,

в твердом теле

происходит

сразу множество

процессов

отжига,

кото­

облучение материала

проводится такого рода частицами, ко­

торые дают дефекты

только

одного ИЛИ двух

типов с бо­

лее ИЛИ менее равномерным

распределением

их в объеме

троны (энергии выше 1 Мзв)

и 7 — кванты,

испускае

ые

изотопом Со 0 0 , также обладающие энергией несколько

вы­

ше 1Мэв. В обоих случаях в

материале образуются только

одиночные внедрённые атомы и вакансии.

Во-вторых, объекты берутся строго одинаковых раз­

меров, чтобы роль поверхности в процессах

отжига

бы­

ренняя структура должны

быть т а к ж е одинаковыми с

тем, чтобы условия по внутренним

стокам

для дефек­

тов были бы

равными.

В-третьих,

исследуется

возврат

сразу

нескольких

новременно

исследовать (на разных образцах

из од­

ной и той

ж е партии) изменение механических

свойств

делит

успех

исследования.

По изменению механических свойств и внутреннего

трения

можно

определить

взаимодействие

радиацион­

ных дефектов

со скользящими дислокациями. Из дила­

тометрических

исследований можно сделать заключе­

ние о

типе взаимодействия

дефектов между

собой, а из