Учебно-методический комплекс по учебной дисциплине Контроль и испытания продукции для направления специальности 1-54 01 01-01 Метрология, стандартизация и сертификация (машиностроение и приборостроение)

141

При воздействии ионизирующих излучений (рентгеновское, α, β, γ,

протонное, нейтронное) на конструкционные материалы последние получают соответствующие повреждения, определяемые количеством энергии,

поглощенной материалом. К числу таких радиационных повреждений

относятся: вакансии, внедренные атомы, примесные атомы, термические

пики, ионизационные эффекты.

Вакансия представляет собой узел решетки, в котором в результате

взаимодействия с излучением отсутствует атом, образуется в твердых телах при столкновениях быстрых нейтронов, осколков деления ядер и других быстрых частиц с атомами решетки. Внедрившиеся в междоузлия атомы– атомы, сместившиеся из своих устойчивых положений в решетке.Примесные атомыобразуются в результате ядерных реакций, протекающих при захвате нейтронов ядром атома (радиационное легирование). Внедряясь в решетку облучаемого вещества, они могут значительно изменять его свойства.

Термические пики обусловлены колебаниями узлов решетки вдоль пути движения быстрых частиц либо заряженных, выбитых со своего места

ионизацию, следствием чего является разрыв химических связей,

образование радикалов и т.д. Облучение металлов увеличивает подвижность

атомов и ускоряет фазовые и структурные превращения. Посредством

трансмутационной реакции происходит образование гелия (плохо растворяющегося в твердом состоянии в металлах), что может привести к появлению пузырей на границах зерен. Образующийся при облучении водород способствует охрупчиванию металлов. Слияние вакансий способствует формированию пустот (радиационная пористость)и вызывает

заметное разбухание и коробление металла. Физические и химические неоднородности (различного типа дефекты, примесные атомы), возникающие при облучении металлов, существенным образом изменяют их свойства

текучести, предел прочности, твердость возрастают, пластичность снижается;

падает значение длительной прочности). Для исследования металлов,

поврежденных наличием радиационных дефектов, наиболее чувствительным является метод измерений электросопротивления.

2.4.3.2 Дефекты в полупроводниках

Основными дефектами полупроводниковых материалов являются точечные дефекты–вакансии, междоузельные атомы, дефекты по Шоттки,

Френкелю, атомы примеси; линейные, двумерные и трехмерные–дислокации.

Рассмотрим различные точечные дефекты, схематически изображенные на

рис. 2.28.

Отсутствие атома в некотором узле кристаллической решетки

называют вакансией. Часто вакансия появляется при кристаллизации– случайно один узел оказывается пустым, и, если следующий слой атомов закрывает подход атомов из раствора или расплава к пустому узлу-вакансии,

то узел может оказаться пустым. Вакансию часто называют–дефект по Шоттки. Атом может разместиться не в узле кристаллической решетки, а в промежутке между атомами–междоузлии, такой дефект называют междоузельным атомом. Появляется междоузельный атом, как и вакансия,

часто при кристаллизации–случайно один из атомов в результате теплового движения попадет в промежуток между соседними атомами, и, если его

перескакивает из узлового положения в соседнее междоузлие. Причиной такого перескока может быть тепловое движение при сравнительно высоких температурах, порядка температуры плавления, или выбивание атома

143

быстродвижущейся частицей (радиационный дефект). Такая пара дефектов называется дефектом по Френкелю.

Рис. 2.28. Типы точечных дефектов:

1–вакансия; 2–межузельный атом; 3–дефект по Френкелю; 4–примесный атом замещения; 5–примесный атом внедрения; 6–атом замещения большей валентности

Один из атомов может быть замещен атомом примеси (см. рис. 2.28),

при этом также получается дефект, называемый примесным атомом замещения. Примесный атом может разместиться и в междоузлии, как бы внедрившись в него. Часто атомы примеси, отличающиеся валентностью от атомов кристалла, обусловливают появление вакансий, как это происходит

в диэлектрических кристаллах. Остановимся, прежде всего, на возможных

механизмах диффузии в кристаллах. Атомы в кристаллах могут

перескакивать из одного положения в другое. Возможные варианты таких перескоков изображены на рис. 2.29. Два или четыре атома могут поменяться местами. Основными механизмами диффузии в твердых телах считают вакансионный, связанный с перегруппировками атомов вблизи вакансий

144

и межузельный, связанный с перемещениями, как правило, сравнительно мелких атомов по междоузлиям.

Рис. 2.29.Наиболее распространенные механизмы диффузии атомов в кристаллах:

1–обмен местами двух соседних атомов; 2–обмен местами нескольких соседних атомов; 3–перескок атома в вакансию; 4–перескоки межузельных атомов в соседние междоузлия

Диффузию в твердых телах в настоящее время наиболее эффективно изучают с использованием «меченых атомов». Для таких исследований на поверхность вещества наносят определенное количество радиоактивных меченых атомов. Затем образец выдерживается при заданной температуре в течение времени достаточного для диффузии «меченых атомов» на глубину порядка 0,3–1 мм. Затем измеряется активность образца. После удаления шлифованием слоя вещества заданной толщины снова измеряется активность образца, и так несколько раз. Таким образом, можно определить среднюю глубину проникновения «меченых атомов» в вещество и вычислить коэффициент диффузии при заданной температуре.

В некоторых случаях (точечные дефекты–примесные атомы группируются, образуя выделения новой фазы). Перечисленные процессы называют залечиванием дефектов. Часто проводят специальную термообработку, состоящую в длительных выдержках детали при постепенно

145

понижающейся температуре, имеющие целью ускорить залечивание дефектов. После такой термообработки количество дефектов меньше меняется впоследствии, а значит, меньше изменяются и свойства материала

в процессе его эксплуатации. По таким схемам обрабатывают, например,

калиброванные электросопротивления точных приборов, постоянные

магниты и т.п.

Влияние точечных дефектов на электропроводность связано

с наличием донорных или акцепторных примесей, которые увеличивают проводимость диэлектрика по тем же механизмам что и полупроводников.

Число вакансий в единице объема можно оценить по сопоставлению результатов точного определения параметра решетки рентгеновским методом

и точного определения плотности вещества как отношения его массы

к объему. Метод основан на том, что вакансии крайне мало изменяют параметр решетки, но увеличивают объем кристалла, а значит, уменьшают его плотность. Таким же способом, но с меньшей точностью, можно

определить число межузельных атомов в единице объема, поскольку

межузельные атомы несколько увеличивают плотность кристалла и слабее изменяют его параметр решетки. Если в кристалле присутствуют и вакансии и межузельные атомы, то описанным методом можно лишь оценить разность чисел вакансий и межузельных атомов в единице объема. Аналогично,

плотность дефектов по Френкелю этим методом точно определить не удается.

Рассмотренные выше измерения электросопротивления и диффузии,

а также измерения коэффициента поглощения различных электромагнитных излучений позволяют изучать точечные дефекты в кристаллах.

2.4.3.3 Дефекты полимерных материалов

Защитные и эстетические свойства пленки могут быть уничтожены

дефектами. На их предотвращение и устранение уходит огромное количество

147

краска, имеющая определенное поверхностное натяжение, могла покрыть эту подложку. В результате жидкая краска не смачивает поверхность,

а стягивается и образует капли. При этом большая часть подложки остается незащищенной, рис. 2.30.

Рис. 2.30. Неравномерность покрытия полимерного материала (жидкая краска стягивается на твердой подложке)

Вцелом, можно сказать, что смачивание становится более важным

втех случаях, когда подложка обладает слабой поверхностной энергией

(например, в пластмассах) и/или когда поверхностное натяжение жидкой краски высокое.

Образование кратеров–это явление на поверхности раздела, которое

может возникнуть как в воздухе, находящемся в покрытии раздела, так

и в покрытии для подложки раздела. Это один из видов течения жидкости,

которое вызывается отклонениями в поверхностном натяжении. Эти

отклонения появляются в тех случаях, когда в жидкой краске присутствуют

материалы с низким поверхностным натяжением (то есть, гидрофобные)

и слабо смешивающиеся с краской. Жидкость течет из зоны со слабым поверхностным натяжением и покрывает зону с более высоким поверхностным натяжением, рис. 2.31.

Рис. 2.31. Образование кратеров (гидрофобный загрязнитель инициирует течение жидкости)

148

Чаще всего причинами появления кратеров становятся капли гидрофобного загрязнителя, например смазочного масла или пеногасителя.

Образование кратеров можно предотвратить посредством удаления

несовместимых гидрофобных загрязнителей.

Всплывание представляет собой дефект пленки, который возникает

в результате испарения растворителей. Он приводит к неравномерному

распределению пигментов на сухой пленке. При очень быстром испарении растворителей появляются серьезные отклонения в уровне температуры и составе. Прямым результатом отклонений становится течение жидкости к верхней части пленки, откуда испаряется растворитель и где температура вследствие испарения является наиболее низкой. Слабо стабилизированные мобильные пигменты могут быть увлечены жидкостью. Если пигменты обладают различной мобильностью, то происходит разделение, которое начинается в верхней части пленки и идет вниз. Отклонение в составе пленки формируется на всем ее протяжении, рис. 2.32.

Рис. 2.32.Всплывание: один из пигментов увлекается к поверхности жидкой краски во время формирования пленки

Всплывание может быть обнаружено, когда пигменты изменяют цвет.

Пена уже может присутствовать в краске до ее нанесения. Также она может появиться во время нанесения. Очень часто воздух может попасть в краску при очистке щеткой или обрызгивании. Специалисты, занимающиеся составлением покрытий, стремятся разработать краску, которая прекращает пениться после нанесения и продолжения процесса формирования пленки.

На процессы формирования, стабилизации и высвобождения пены сильно влияют два аспекта. Во-первых, пенные пузыри могут быть стабилизированы добавками, обладающими поверхностно-активной (мыльной) структурой.

149

В наиболее значительной степени от этой проблемы страдают краски на водной основе. Вторым важным аспектом является вязкость краски.

Несмотря на высокий уровень вязкости, пенные пузыри потенциально способны переместиться к поверхности пленки, где могут лопнуть. Тем не менее, появившаяся в результате дыра не может выровняться, если вязкость пленки слишком высока, рис. 2.33.

Рис. 2.33. Пена (дыры, оставшиеся в пленке после высвобождения воздуха в процессе формирования пленки, не выровнялись)

Существует несколько способов предотвращения пенообразования в пленках. Во-первых, следует максимально возможным образом предотвращать проникновение воздуха в краску во время производства,

обработки и нанесения. Во-вторых, следует минимизировать использование поверхностно-активных веществ.

отраженного, рассеянного и индуцированного излучений (под последним имеется в виду оптическое излучение предмета под действием внешнего воздействия, например люминесценцию). Информативными параметрами методов являются амплитуда, фаза, степень поляризации, частота или частотный спектр, время прохождения света через объект, геометрия преломления или отражения излучения. Оптические методы широко

150

применяют из-за большого разнообразия способов получения первичной информации о наличии наружных дефектов независимо от материала контролируемого изделия.

Глаз человека исторически являлся основным контрольным прибором в дефектоскопии. Глазом контролируют исходные материалы,

полуфабрикаты, готовую продукцию, обнаруживают отклонения формы

иразмеров, изъяны поверхности и другие дефекты в процессе производства

иэксплуатации: остаточную деформацию, пористость поверхности, крупные трещины, подрезы, риски, надиры, следы наклепа, раковины и т.д. Однако возможности глаза ограничены, например, при осмотре быстро

перемещающихся объектов или удаленных объектов, находящихся

вусловиях малой освещенности. Даже при осмотре предметов, находящихся

впокое на расстоянии наилучшего зрения в условиях нормальной освещенности, человек может испытывать трудности из-за ограниченной разрешающей способности и контрастной чувствительности зрения.

Для расширения возможностей глаза используют оптические приборы.

Они увеличивают угловой размер объекта, при этом острота зрения

и разрешающая способность глаза увеличиваются примерно во столько же раз, во сколько увеличивает оптический прибор. Это позволяет увидеть мелкие дефекты, невидимые невооруженным взглядом, или их детали.

Однако при этом существенно сокращается поле зрения и глубина резкости,

поэтому обычно используются оптические приборы с увеличением не более

Визуально-оптический контроль и визуальный осмотр–наиболее доступный и простой метод обнаружения поверхностных дефектов деталей. Основные преимущества этого метода–простота контроля, несложное оборудование,