Упруго-пластические течения в мишени при облучении интенсивными потоками заряженных частиц

В настоящее время для модификации поверхностных и объемных свойств материалов широко используются методы, связанные с воздействием на вещество интенсивных потоков энергии с плотностью мощности >105 Вт-см" 2 (электронных, ионных и лазерных пучков) [1]. Среди преимуществ таких методов обработки перед традиционными отметим малое время и возможность обработки образцов сложной геометрии, простоту автоматизации процесса в технологических целях. Во многом воздействие пучков напоминает влияние традиционных способов нагружения, таких как высокоскоростное соударение или нагружение взрывом. Специфика, пучковых методов' воздействия на вещество связана с влиянием быстропеременных температурных полей и достижением экстремально высоких скоростей деформации. Использование мощных потоков' энергии перспективно для исследования* фундаментальных свойств вещества при быстром" вводе энергии, ведущем к формированию неравновесных состояний, характеризующихся" высокими градиентами температуры иг напряжений, также исследования" в этой области вызывают значительный интерес в направлении создания теоретических основ радиационных технологий.

Как правило, для модификации материалов используют ионные пучки с энергией частиц, не вызывающей ядерные реакции [2], низкоэнергетические сильноточные электронные пучки (НСЭП — энергия частиц составляет десятки кэВ) [3] и высокоэнергетические сильноточные электронные пучки (ВСЭ1Гэнергия частиц составляет сотни кэВ) [4]. Длительность импульса ионных пучков составляет десятки и сотни наносекунд. Длительность электронных пучков варьируется в достаточно широком диапазоне от единиц наносекунд до сотен микросекунд. Одно из последних достижений в создании" ускорителей — электронный ускоритель с субнанои пикосекундной длительностью пучка [5]. Плотность тока для электронных и ионных пучков варьируется в диапазоне от десятков А/см2 до единиц кА/см2. 4.

Быстрый ввод энергии пучка в вещество мишени ведет к возникновению интенсивных сильно неоднородных (|УГ|~106−107 К/м) тепловых полей и полей деформаций с последующим изменением структуры и фазового состава материала мишени. При этом может происходить увеличение прочности, износостойкости и эрозионной устойчивости материала [6], [7]. Кроме того, изменяетсямикрорельеф облучаемой поверхности [8], [9], при обработке металлических мишеней электронными и ионными пучками на облученной поверхности возможно образование как микрократеров [6], [10], [11], так и уменьшение шероховатости [9], [12], [13].

В настоящее время опубликовано большое количество теоретических работ посвященных вопросам динамики материала и поверхности мишени при облучении [14−21]. Облучение мишени с плоской поверхностью ведет к возникновению одноосно деформированного состояния, которое чаще всего становится объектом теоретического исследования. Известно, что в условиях высокоскоростной деформации поведение вещества отлично от случая квазистатического нагружения [22−24]. Можно ожидать, что при облучении мишени ультракороткими импульсами, (длительностью менее одной наносекунды) конечное время развития пластической релаксации напряжений и особенности кинетики этого процесса проявят себя в значительной мере. Наличие геометрических возмущений на поверхности мишени ведет к нарушению условий одноосной деформации [25] и возникновению дополнительных напряжений вблизи поверхности, что еще более усложняет картину протекающих явлений.

Несмотря на значительный прогресс в понимании явлений формирования полей напряжений и распределений структурных дефектов, ряд вопросов вызывает интерес исследователей:

1) Интерес представляет теоретическое исследование формирования полей напряжения в условиях облучения нанои субнаносекундной длительности. Прямые экспериментальные измерения действующих в мишени напряжений вызывают трудности, связанные со сложностью калибровки датчиков давления [26] и принципиальными ограничениями прямого измерения сдвиговых напряжений, а так же со сложностью измерения полей напряжений локализованных вблизи поверхности в слое, подверженном действию пучка.

2) Не до конца ясными являются роли упругих напряжений, сконцентрированных вблизи поверхности, и бегущей волны напряжений в формировании экспериментально наблюдаемых распределений микротвердости и структурных дефектов в облученных мишенях [1], [7], [25]. Отдельный интерес представляет модификации дефектной^ подструктуры кристалла в случае ультракороткого облучения, поскольку в этом случае, как показано ранее в расчетах.

О I.

18], скорости деформации могут достигать величин -10 с" .

3) В ряде экспериментальных работ [9], [27] показано, что в зависимости от параметров^{облучения} на поверхности мишени может наблюдаться-как сглаживание микрорельефа, так и его рост. Причем сглаживание* происходит и при-режимах, в-которых мишень заведомо остается в твердотельномсостоянии: Понимание природы этого явления представляет значительный интерес.

Отметим, что исследование с единых позиций взаимно обусловленных процессов формирования полей напряжений, динамики изменения рельефа поверхности мишени, распространения бегущей волны, формирования дислокационных структур при облучении до настоящего времени не выполнялись. Необходимость понимания всех этих явлений для исследования фундаментальных свойств вещества при интенсивных импульсных нагружениях, а также для созданиятеоретической основы-радиационных технологий определяет актуальность данной работы.

Цель работы. Работа направлена на теоретическое исследование кинетики дислокационной подсистемы и ее роли в формировании пластического течения, а также в формировании свойств материала мишени при облучении.

Задачами работы являлись: 1) разработка метода описания динамики мишени, учитывающего кинетику развития пластического течения в материале- 2) численное исследование полей напряжений, формирующихся в металлических мишенях при облучении ультракороткими электронными пучками- 3) численное исследование закономерностей формирования распределений плотности дислокаций и деформационного упрочнения мишени- 4) разработка метода описания и исследование динамики рельефа поверхности мишени при облучении.

Методика исследования. Для описания упруго-пластических течений материала мишени при облучении нами была использована дислокационная модель пластичности, реализованная в рамках континуального подхода. При описании динамики дислокаций учтена инерционность дислокации, влияние внешних напряжений и деформационное упрочнение, фононное трение, зависящее от температуры. Выполнено разбиение дислокационного ансамбля по системам скольжения в ГЦК, ОЦК и ГПУ решетках. Кинетическое уравнение для дислокаций описывает размножение и аннигиляцию дислокаций. Для нахождения функции энерговыделения частиц пучка в мишени при облучении решалось кинетическое уравнение для быстрых частиц в веществе методом, предложенным в [28], [29]. Разработанный метод и его программная реализация использовались при исследовании формирования полей напряжений и дислокаций в мишени при облучении.

Исследование сглаживания микрорельефа поверхности мишени при облучении проводилось в рамках уравнений теории упругости. Аналитически решалась задача равновесия среды с периодически возмущенной поверхностью при наличии в приповерхностном слое температурного градиента, задача решалась в двумерной постановке. с I I.

Научная новизна и значимость результатов диссертационной работы состоит в изучении особенностей формирования полей напряжений в условиях неустановившегося пластического течения при облучениизакономерностей и роли различных факторов в. формировании распределения плотности дислокаций, ведущего к упрочнению мишени.

Основные положения и результаты выносимы на защиту.

1. Программныйкомплекс для моделирования упруго-пластических течений среды при облучении в континуальном приближении. Вид источника дислокаций, основанный на энергетическом критерии, связывает мощность рассеиваемой при движении дислокаций энергии с количеством дислокационных сегментов, образующихся в материале.

2. Приоблучении субнаносекундными импульсами скорости'.

О 1 деформации в мишени достигают величин 10 с", в силу инерционности пластической релаксациипри, таком ультракоротком, воздействии в мишенимогут формироваться сдвиговые: напряжения,. превосходящие1 на порядок и более величину пределам текучести, наблюдаемого в условиях квазистатического деформированиям.

3. При облучении" в мишени формируется максимумплотностидислокаций вблизш поверхности, вследствие термоупругих напряжений, действующих вблизи" поверхностирост плотности дислокаций! сопровождается повышением предела текучести материалаТакже в зависимости от режима облучения (плотность вложеннойэнергии > 10 Дж/см2) возможнообразование максимума" плотности дислокаций в объеме мишени, связанного с распространением ударной волны. Уменьшение времени облученияпри? постоянной! плотности энергии пучка ведет к более эффективной генерации! дислокацийсвязаннойс ростом величины сдвиговых напряжений-, реализуемых в мишени.

4. Плотность дислокаций в приповерхностном слое мишени немонотонно зависит от плотности вложенной энергии. При Л увеличении плотности энергии до 1 Дж/см плотность дислокаций растет до величины ~ 1.5- 10ю см" 2 в силу увеличения величины сдвиговых напряжений, сконцентрированных вблизи поверхности в нагретом слое вещества. Дальнейшее увеличение плотности энергии Л пучка до значения ~ 5 Дж/см вызывает снижение плотности дислокаций вблизи зоны энерговыделения вследствие ускорения аннигиляциидислокаций при повышенных температурах либо отжига дислокаций при плавлении. Приплотности вложеннойэнергии > 10 Дж/см вновь наблюдается быстрый рост плотности дислокаций как в приповерхностном слое, так и в глубине мишени, связанный с возрастанием роли ударной волны в структурных превращениях в материале.

5. Сглаживание микрорельефа поверхности мишени объясняется совместным действием твердои жидкофазноп^ механизмов." Уменьшение неровностей в твердофазном 5 состоянии связано конечным временем развития пластической релаксации напряжений, в течение которого материал мишени испытывает упругие деформации, ведущие к уменьшению неровностей.

Личный вклад автора. Развитие1 дислокационной модели пластичности для описания, упруго-пластических течений мишени при интенсивных нагружениях (ударное* нагружение, воздействие импульсных пучков заряженных частиц). Разработка программного комплексареализующего указанную модель. Численные исследования распространения волн напряжений и структурных превращений в мишени при ударном нагружении и ультракоротком электронном облучении. Разработка физической модели сглаживания микрорельефа поверхности в твердофазном режиме, ее математическая реализация и проведение расчетов. Анализ полученных результатов и изложение их в статьях.

Практическая ценность результатов работы заключается в возможности использования разработанных моделей и программ для прогнозирования результатов воздействия мощных потоков излучения на металлические мишени (повышение прочностных характеристик материала и сглаживание рельефа поверхности) и разработки теоретической базы радиационных технологий модификации материалов.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на: конференции «9-th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows» (Томск, 2008), XVI Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2009), конференции' «XXIV International Conference Interaction of Intensive Energy Fluxes with Matter» (Эльбрус, 2009), XIV Международной конференции «Радиационная-физика и химия неорганических материалов» (Астана, Казахстан, 2009), 10-ой Международной" конференции «Забабахинские научные чтения» (Снежинск, 2010), конференции «XXV International Conference Interaction of Intensive Energy Fluxes-with Matter» (Эльбрус, 2010), конференции-«10-tblnternational Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows» (Томск, 2010), конференции-«16-th Intenational Symposium om High Current-Electronics» (Томск, 2010).

По теме диссертации опубликованы 3 статьи в центральной печати, 9 статей в сборниках трудов конференций, в том числе 6 международных^.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, изложена на 140 страницах, содержит 46 иллюстраций, библиографический список состоит из 119 ссылок.

Выводы к третьей главе.

1) Динамика формирования полей напряжений, величина действующих сдвиговых напряжений и профиль бегущей волны существенно зависят от процессов установления пластической релаксации;

2) Формирующиеся напряжения зависят от начальной плотности дислокаций в мишени. Увеличение исходной плотности дислокаций до величин ~ 1010 см" 2 ведет к снижению величины сдвиговых напряжений, действующих в мишени, вследствие большого количества дислокаций вовлекаемых в снятие сдвиговых напряжений. При больших начальных плотностях дислокаций величина сдвиговых напряжений в мишени увеличивается, в силу значительного деформационного упрочнения материала;

3) При ультракоротких нагружениях в мишени формируются сдвиговые напряжения, превосходящие статическое значение предела текучести более чем на порядок;

4) В зависимости от режима облучения в мишени возможно формирование максимума плотности дислокаций вблизи поверхности, сформированного термоупругими напряжениями, а так же образование максимума плотности дислокаций в объеме мишени, связанного с распространением ударной волны;

5) Плотность дислокаций в приповерхностном слое мишени немонотонно зависит от плотности вложенной энергии. До некоторого значения плотность дислокаций растет в силу увеличения величины сдвиговых термоупругих напряжений, локализованных вблизи поверхности мишени. Дальнейшее увеличение плотности энергии пучка сначала вызывает снижение плотности дислокаций вследствие ускорения аннигиляции дислокаций при повышенных температурах либо отжига дислокаций при плавлении, а затем их рост, связанный с возрастанием роли ударной волны. Плотность дислокаций в «ударном максимуме» монотонно возрастает с увеличением плотности вложенной энергии;

6) Уменьшение времени облучения при постоянной плотности энергии пучка ведет к более эффективной генерации дислокаций, связанной с ростом величины сдвиговых напряжений, реализуемых в мишени;

7) Формирование распределения плотности дислокаций вблизи поверхности мишени ведет к деформационному упрочнению мишени, которое ведет к сохранению остаточных напряжений в мишени;

8) Сглаживание микрорельефа поверхности мишени объясняется совместным действием твердои жидкофазного механизмов. Уменьшение неровностей в твердофазном состоянии обусловлено конечным временем развития пластической релаксации напряжений, в течении которого материал мишени испытывает упругие деформации, ведущие к уменьшению неровностей. Твердофазное сглаживание одинаково эффективно сглаживает неровности рельефа по всему спектру длин волн.

Заключение

.

Проведенные исследования показывают, что кинетика развития пластического течения оказывает существенное влияние на формирование полей напряжений при облучении мощными потоками энергии. Наиболее ярко эта тенденция проявляет себя в условиях высокоскоростной деформации (при скоростях деформации > 106 с" 1) при воздействиях нанои субнаносекундных пучков.

Среди основных результатов выделим следующие:

1. Реализована модель пластичности при высокоскоростном интенсивном нагружении металлов. Предложен вид источника дислокаций, основанный на энергетическом критерии.

2. Показано, что динамика мишени при облучении нанои субнаносекундной длительности существенно зависит от процессов установления пластической релаксации напряжений. Величина сдвиговых напряжений при таких условиях многократно превосходит значение предела текучести, наблюдаемого в условиях квазистатического деформирования.

3. Показано, что в зависимости от условий облучения в мишени могут формироваться распределения плотности дислокаций с одним максимумом вблизи поверхности либо с двумя максимами, второй из которых локализован в глубине мишени и связан с распространением ударной волны.

4. Показано, что плотность дислокаций в приповерхностном максимуме немонотонно зависит от плотности вложенной энергии. До 1 Дж/см2 плотность дислокаций растет, вследствие увеличения термоупругих сдвиговых напряжений. Далее увеличение плотности энергии пучка вызывает снижение плотности дислокаций, в силу высокотемпературного отжига дислокаций и плавления. Начиная со Л значения 10 Дж/см снова наблюдается рост плотности дислокаций, вызванный увеличением роли ударной волны в структурных превращениях в мишени. Уменьшение времени облучения при постоянной плотности энергии пучка ведет к более эффективной генерации дислокаций, связанной с ростом величины сдвиговых напряжений, реализуемых в мишени.

5. Предложен механизм и математическая модель сглаживания микрорельефа поверхности мишени в твердофазном состоянии. Уменьшение неровностей в твердофазном состоянии связано конечным временем развития пластической релаксации напряжений, в течении которого материал мишени испытывает упругие деформации, ведущие к уменьшению неровностей.

6. Разработан программный комплекс, описывающий взаимодействие пучка заряженных частиц с мишенью, генерацию волн напряжений с учетом пластической релаксации напряжений при движении дислокаций и позволяющий прогнозировать эффект радиационного упрочнения мишеней при облучении.

Таким образом, на основе проведенных исследований построено теоретическое описание процессов генерации полей напряжений и дислокаций, образующихся в мишени при облучении, установлена связь между параметрами облучения, начальным состоянием мишени и конечным результатом обработки.

Полученные результаты можно использовать для прогнозирования воздействия мощных потоков излучения на металлические мишени и решения задач по модификации материалов (сглаживание, упрочнение вещества в облучаемой мишени).

В заключении я выражаю благодарность Александру Евгеньевичу Майеру и Александру Павловичу Яловцу за поддержку в проведении работы, активное и последовательное направление моей исследовательской деятельности, а так же Николаю Борисовичу Волкову за предложенную задачу и полезные обсуждения при выполнении работы.