2. 4. Влияние рекомбинации на потоки точечных дефектов к дислокациям- 2. 4. 1. Прямолинейная краевая дислокация
- 2. 4. 2. Круговая призматическая дислокационная петля
2.4.3. Условие применимости выражений для потоков собственных точечных дефектов к дислокациям в случае сильной рекомбинации и обсуждение выражений элективноетей поглощения собственных точечных дефектов дислокациями.
Выводы.
ГЛАВА 3. НЕСТАЦИОНАРНОЕ ЗАШИВАНИЕ ПОР ПН ОБЛУЧЕНИИ.
3.1. Введение.
3.2. Слабая рекомбинация
3.2.1. Пора в ячейке.
3.2.2. Пора в зерне.
3.3. Сильная рекомбинация.
3.3.1. Пора в ячейке.
3.3.2. Пора в зерне.
3.4. Условия существования нестационарного зашивания и обсуждение результатов.
Выводы
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ПОДШВЫХ КСМШЕКСОВ СОБСТВЕННЕЙ ТОЧЕЧНЫЙ ДЕФЕКТ — АТОМ ПРИМЕСИ НА КИНЕТИКУ РОСТА ПОР, ПЕРЕПОЛЗАНИЕ ДИСЛОКАЦИЙ И ЭВОЛЮЦИЮ ИХ АНСАМБЛЕЙ.
4.1. Введение.
4.2. Влияние образования подвижных комплексов собственный точечный дефект — атом примеси на диффузионные потоки к дислокациям и порам.
4.2.1. Прямолинейная краевая дислокация.
4.2.2. Круговая призматическая дислокационная петля
4.2.3. Сферическая пора. 4.2.4. Обсуждение выражений для концентраций примеси на поверхностях стоков и эффективностей поглощения собственных точечных дефектов дислокациями. 98 4.3. Эволюция ансамблей пор и дислокаций при образовании подвижных комплексов собственный точечный дефект -атом примеси.
4.3.1. Коалесценция пор в кристалле с постоянной плотностью прямолинейных дислокаций.
4.3.2. Коале сценция ансамбля пор и дислокационных петель, НО
4.3.3. Модель с постоянной концентрацией пор.
Выв еды.
ПРИЛСЖЕНШ зшкиение
литература таблица индексной нумерации типов точечных дефектов и их комплексов
Проблемы, возникающие при изучении поведения металлов и сплавов в потоке высокоэнергетических частиц (быстрые нейтроны, ионы и электроны), способных генерировать в материале вакансии и меж-доузельные атомы, в последнее время неоднократно привлекали к себе внимание. Свидетельством тоцу являются материалы многих международных и всесоюзных конференций и совещаний [l-I2]. Эти проблемы имеют как практический, так и научный интерес. Так, в связи с интенсивным развитием атомной энергетики, а такие созданием термоядерных установок необходимо иметь радиационно-стойкие конструкционные материалы, способные работать при повышенных температурах и выдерживать воздействие больших интегральных потоков нейтронов (>. I023 ц/см2, Е ?0,1 МэВ для атомных иIO22 ц/см? Е = 14 МэВ для термоядерных реакторов) без заметного изменения своих свойств. При создании таких материалов экспериментаторы столкнулись с рядом физических явлений, таких как распухание, радиационная ползучесть и охрупчивание, которые приводят к изменению механических свойств и накладывают существенные ограничения на работу конструкционных материалов. Изучение этих явлений способствует созданию материалов с заданными свойствами и представляет возможность получения новых данных о радиационных дефектах в металлах.
Существование перечисленных явлений обусловлено развитием новой дефектной структуры, возникавдей в результате распада пересыщенного двухкомпонентного раствора радиационных вакансий и меадоузельных аистов в чистом материале или многокомпонентного при наличии примеси, образующей подвижные комплексы с радиационными точечными дефектами. Основными црсцессами, определяющими развитие структуры, являются рост пор и переползание дислокаций, представляющих стоки вакансий и междоузельных атдаов. Скорости роста пор и переползания дислокаций пропорциональны разности потоков вакансий и междоузельных атомов на поверхностях пор и ядер дислокаций. Можно показать, что в стационарном состоянии, в случае чисто диффузионного движения дефектов и равновесных граничных условий на поверхностях стоков эта разность не зависит от характеристик облучения, т. е. эволюция дефектной структуры материала должна происходить так же, как и в отсутствие облучения. В то же щюмя такие физические явления, как распухание и радиационная ползучесть, указывают на то, что изменения дефектной структуры материала под облучением могут быть намного большими, чем те, которые имеют место в отсутствие облучения.
Для объяснения реально наблюдаемых эффектов учитывают следующие группы факторов:
1) различное взаимодействие поверхностей стоков с точечными дефектами разных типов — так называемый «преференс», который может быть связан как с разным упругим взаимодействием точечных дефектов с стоками, так и с различием в их коэффициентах диффузии по поверхности стока. Эффективно это сводится к тему, что граничные условия задаются на несовпадающих для вакансий и междоузелышх атомов поверхностях-
2) нестационарный характер стоков и источников: перемещение имеющихся поверхностей и зарождение новых-
3) нестационарное облучение, в частности нестационарные потоки дефектов, проявляющиеся до установления стационарных условий.
Учет этих факторов приводит к тему, что определенные элементы дефектной структуры материала Хфетущественно поглощают или вакансии, или междеузельные атомы (например:преимущественное поглощение междоузельных атомов дислокациями в случае распухания- цреицщественное поглощение вакансий или междоузельных атомов дислокациями с разной ориентацией вектора Еюргерса относительно оси нагрузки в случае радиационной ползучести). При этда избыток дефектов другого типа или конденсируется с образованием новых элементов структуры (поры в случае распухания), или поглощается существовавшими до облучения элементами структуры.
Образование в условиях облучения двух типов собственных точечных дефектов, а также присутствие в материале некоторого количества примеси создает возможность реакций между точечными дефектами, таких как рекомбинация вакансий и междоузельных атомов и образование подвижных комплексов собственный точечный дефект-атом примеси. При этш влияние реакций мажет проявляться двояко: во-первых, они могут изменять величину потоков каждого из типов точечных дефектов путем изменения величины эффективного пересыщения вдали от стоков (через уравнения баланса) — во-вторых, вызвать перераспределение потоков между стоками, т. е. влиять на перечисленные выше факторы, обуславливающие неравное поглощение вакансий и междоузельных атомов стоками. Настоящая диссертация посвящена, в основном, исследованию последнего вопроса.
Основными аспектами исследования являются: выяснение влияния этих реакций на преицутцественное поглощение междоузельных атомов дислокациями, связанное с их большим упругим взаимодействием с дислокациями по сравнению с вакансиями- определение величины уменьшения объема поры на нестационарной стадии облучения (до установления стационарного потока вакансий к поре).
Исследования, проведенные в соответствии с этими задачами, привели к следующим новым результатам, полученным впервые в настоящей диссертации:
I. Получено точное в пределе больших радиусов выражение для скорости роста дислокационной петли в случае сильного упругого взаимодействия собственных точечных дефектов с петлей (радиус петли много больше характерного расстояния, на котором упругая энергия порядка тепловой- упругая энергия вблизи дислокации много больше тепловой- см. (2.16), (2.17)).
2. Получены точные стационарные распределения собственных точечных дефектов по толщине пластины под облучением в отсутствие стоков точечных дефектов внутри пластины с учетом рекомбинации (одномерный случай, см. (2.26), (2.27)). На основании исследования точного решения в одномерном случае, предложен приближенный метод решения стационарных нелинейных уравнений диффузии в областях вокруг стоков точечных дефектов с учетом рекомбинации, заключающийся в тем, что вблизи стока, на расстояниях, меньших длины диффузионного пробега дефектов относительно рекомбинации (длина рекомбинации), можно пренебречь нелинейным реком-бинационным членж по сравнению с членами, содержащими градиенты концентраций дефектов, в то время как на больших расстояниях от стока концентрации дефектов меняются слабо и уравнения можно линеаризовать методом теории возмущений. С помощью приближенного метода получены выражения для потоков точечных дефектов к прямолинейной дислокации и скорости роста дислокационной петли большого радиуса в случае сильной рекомбинации с учетом упругого взаимодействия, когда дайна рекомбинации много меньше расстояния между прямолинейными дислокациями или радиуса петли (см. (2.46), (2.48) ,(2.55)), при условии, согласно которому разность потоков вакансий и междоузельных атомов много меньше каждого из потоков. В случае слабой рекомбинации, когда длина рекомбинации много больше расстояния между дислокациями или радиуса петли, показано, что эти выражения остаются такими же, как и в отсутствие рекомбинации. На основании выражения для скорости роста дислокационной петли в случае сильной рекомбинации предложено объяснение известной из литературы линейной зависимости радиуса междоузельных петель от времени, наблвдавшейся при электронном облучении тонких фольг металлов, и показана возможность определения из этой зависимости отношения локальных изменений объемов вблизи междсузельного атома и вакансии.
3. Рассмотрено нестационарное заиливание пор при облучении, происходящее вследствие преимущественного поглощения междоузель-ных атомов порой на начальной стадии облучения (до установления стационарного потока вакансий к поре) и получены выражения для изменения объема поры в системе равноудаленных пор, когда мощностью других стоков можно пренебречь (см. (3.7), (3.17)) и для поры, окруженной зернограничной поверхностью, представляющей идеальный сток для вакансий и междоузельных атомов (см. (3.12), (3.18)).
4. Предложен механизм влияния примеси на распухание, заключающийся в изменении упругого взаимодействия собственного точечного дефекта с дислокацией, когда он диффундирует к дислокации в составе подвижного комплекса собственный точечный дефект-атом примеси. Получены аналитические выражения для потоков собственных точечных дефектов, связанных в комплексы, к прямолинейной дислокации и для скорости роста дислокационной петли большого радиуса, а также для радиационно-обусловленных надрав-новесных концентраций примеси на этих стоках с учетом образования подвижных комплексов (см. (4.19)-(4.23), (4.33)-(4.37)). С помощью подученных выражений исследовано влияние образования подвижных комплексов на разность эффективностей поглощения междоузельных атомов и вакансий дислокациями («преференс») и распухание в случаях комплексов I) вакансия- примесь в междоузлии и 2) междоузельный атом — примесь замещения (примесная гантель). В первш случае невозможно указать основной параметр, определяющий влияние образования комплексов на «преференс» и распухание, так как оно зависит от многих параметров, таких как коэффициенты диффузии вакансий, комплексе©-, свободной примеси и их упругого взаимодействия с дислокациями, а также от характера изменений концентрации пор и плотности дислокаций. В отличие от этого во вторда случае показано, что это влияние зависит только от изменения упругого взаимодействия междоузельных атомов с дислокациями, которое в наиболее интересном случае примесей замещения меньших атсма матрицы обуславливает уменьшение «преференса» и распухания. Сравнение полученных теоретических результатов с экспериментальными данными по распуханию сплавов меди и никеля показывает, что предложенный механизм качественно правильно объясняет уменьшение величины распухания при введении примеси.
Основные положения, выносимые авторш на защипу:
1. Влияние упругого взаимодействия на скорость роста дислокационной петли большого радиуса в случае сильного упругого взаимодействия собственных точечных дефектов с петлей сводится к замене в эффективноетях поглощения собственных точечных дефектов петлей радиуса ядра дислокации на величину расстояния, на котором упругая энергия порядка тепловой (см. (2.17)).
2. Приближенный метод решения стационарных нелинейных уравнений диффузии точечных дефектов с учетом рекомбинации, заклкъ чавдийся в тем, что вблизи стока, на расстояниях меньших длины рекомбинации, можно пренебречь нелинейным рекомбинационным членом по сравнению с членами, содержащими градиенты концентраций дефектов, в то время как на больших расстояниях от стока концентрации дефектов меняются слабо и уравнения можно линеаризовать методом теории возмущений. Выражения для потоков точечных дефекте©- к прямолинейней дислокации и скорости роста дислокационной петли в случае слабой рекомбинации остаются такими же, как и в отсутствие рекомбинации. В случае сильной рекомбинации влияние рекомбинации на потоки точечных дефектов к прямолинейной дислокации сводится к замене в эффективноетях поглощения точечных дефектов прямолинейной дислокацией расстояния между дислокациями на длину рекомбинации (сравни (2.47) и (2.48)) при условии, согласно которому разность потоков вакансии и междоузельных атомов много меньше каждого из потоков. Отдельные участки дислокационной петли в случае сильной рекомбинации переползают, как участки прямолинейной дислокации, поэтому эффективности поглощения дефектов петлей равны эффективноетям поглощения дефектов прямолинейной дислокацией (сравни (2.48) и (2.55)), и скорость роста петли не зависит от радиуса. Способ определения отношения локальных изменений объемов вблизи междоузельного атома и вакансии из наблюдавшейся при электронном облучении тонких фольг металлов линейной зависимости радиуса междоузельных петель от времени с падощыо выражения для скорости роста дислокационной петли, полученного в работе.
3. Уменьшение объема заранее созданной поры на нестационарной стадии облучения можно определить из решения лишь стационарных уравнений диффузии собственных точечных дефектов и оно равно количеству междоузельных атомов, образующихся в единицу времени в объеме, из которого дефекты поглощаются порой, умноженному на разность времен установления стационарных состояний вакансий и междоузельных атомов в этом объеме. Нестационарное заплывание поры имеет место при температурах меньших той, при которой время заплывания поры равно времени установления стационарного состояния вакансий в объеме, из которого дефекты поглощаются порой.
4. Механизм, объясняющий влияние примесей на распухание и заключающийся в изменении упругого взаимодействия собственного точечного дефекта с дислокацией, когда он диффундирует к ней в составе подвижного комплекса собственный точечный дефект — атом дримеси. Влияние образования комплексов вакансия — примесь в междоузлии на «префэренс» и распухание зависит от многих параметров таких как коэффициенты диффузии вакансий, комплексов, свободной примеси и их упругого взаимодействия с дислокациями, а также от характера изменений плотности дислокаций и концентрации лор. В отличие от этого в случае комплексов междоузельный атом — примесь замещения это влияние зависит только от изменения упругого взаимодействия мездоузельных атомов с дислокациями, которое в случае примесей замещения меньших атсма матрицы обуславливает уменьшение «цреференса» и распухания" Объяснение экспериментальных результатов по распуханию сплавов меди и никеля с помощью предложенного механизма. rim i. эволюция рдфшщонно-обусловлешш дажшш
СТРЖЕУШ В ШАЛЛАХ. ОБЗОР.
Целью настоящего обзора является рассмотрение основных экспериментальных и теоретических работ по кинетике образования и дальнейшей эволюции дефектной структуры металлов при облучении. Систематизировано влияние вида облучения (нейтронное, ионное и электронное), условий облучения (температура, скорость образования точечных дефектов, доза облучения), а также примесей на образующуюся дефектную структуру. При обсуждении состояния теоретических исследований кратко рассмотрены основные работы по теории зарождения пор и дислокационных петель, а основное внимание уделяется работам по кинетике развития дефектной структуры на стадии диффузионного роста, когда процессы зарождения уже закончены. В последнем случае проводится сопоставление литературных данных с результатами, полученными автором в настоящей диссертации.
I.I. Основные экспериментальные факты I.I.I. Влияние вида облучения
В связи с необходимостью моделирования поведения конструкционных материалов в атомных реакторах исследование дефектной структуры металлов производится при нейтронном, ионном и электронном облучении. Рассмотрим основные различия и сходство дефектных структур Ери разных видах облучения.
Нейтронное облучение. При нейтронном облучении поры появляются при интегральном потоке нейтронов ^ I022 н/см2, дислокационные петли при меньших потоках [l3]. Нейтронное облучение является тем естественным видом облучения, поведение материалов при котором представляет практический интерес. Методические преимущества нейтронного облучения заключаются вздании равномерной по объему плотности повреждений и таким образом отсутствует влияние поверхности на развитие дефектнойруктуры. В то же время низкаяоростьзданияещений s^ICT^н.а/с (с.н.а/с — числоещений на один атш вкунду), а также отсутствие возможности контролировать образование гелия для изучения его влияния ограничивает применение нейтронного облучения при исследовании дефектнойруктуры металлов.
Ионное облучение. Основным преимуществом ионного облучения, как метода моделирования, является высокаяоростьзданияещенийн. а/с [14]. Недостатком является то, что повреждения при ионном облучении сосредоточены в приповерхностном слое порядка десятка микрон, величина которого зависит от энергии и массы иона.
Электронное облучение. При облучении в высоковольтном электронном микроскопе имеется возможность одновременного облучения и постоянного наблкщения в течение всего эксперимента при достаточно высокой скорости создания смещений ^с.н.а./с [15]. В отличие от нейтронного и ионного облучения не образуется каскадов смещений и не создается побочных примесей. В то же время глубина слоя повреждений меньше, чем при ионном, и составляет я^ I мкм. Поэтому влияние поверхности на кинетику радиационных повреждений в случае электронного облучения является более существенным, чем для ионного и нейтронного облучений.
IЛ.2. Влияние условий облучения
Температура. Поры в металлах наблюдаются в интервале 0,3* 0,6 Тдд в 1ЦК и ГПУ и 0,2*0,55 Тш в ОЦК металлах [13,16,17], вучае нейтронного облучения приоростизданияещений ~ КГ^Ю""6н.а/с. При ионном и электронном облучении, когдаоростьещений ~с.н.а./с, эти интервалывигаются ворону более высоких температур. Общей закономерностью является уменьшение концентрации и увеличениееднего размера пор и образующихся нарядупорами междоузельных дислокационных петельростом температуры. Следствием этого является то, что распухание имеет максимум при некоторой температуре «0,45 Тдд.
Температура облучения влияет на форцу пор. К примеру, при нейтронном облучении At [18] при 55 °C поры имели фараду правильных полиэдров, а при 125 °C и 150 °C обнаруживаются разнообразные форш в виде пластин, цилиндров, стержней, а также правильных полиэдров. Поры в Мо цри 430Яз [l9], как сферические, так и правильные полиэдры.
При облучении нержавеющейали 304 С I МэВ электронами до дозы 20н.а. температурная кривая распухания имела два отдельных максимума при 520° и 5854) [20]. Аналогично ведетбя концентрация лор в зависимости от температуры, положение максимумов которойвпадаетмаксимумами на кривой распухания. Рост распухания после прохождения первого максимума обнаружен при облучениилава ионами /Iчэнергией 46,5 МэВ в интервале 500−700°С до дозы 8 и 60н.а. [21,22], в то время как чистый Nl, облученный до дозы 60н.а. в тех же условиях, не имел тенденции к увеличению распухания. Рост распухания после прохождения первого максщума обнаружен также в ряде (ЦК металлов при нейтронном облучении до дозы 10^ н/см^ с энергией ^ 0 Д МэВ при температурах 400-Ю00°С [23]. Начало нового возрастания распухания соответствует температуре 0,35 Тдд.
Скорость образования точечных дефектов. Эксперименты показывают, что увеличениеорости образования точечных дефектов эквивалентно более высоким темпера аурам при неизменнойорости генерации и постояннш числеещенных атомов. Так при облучении Ж ионами 2,8 МэВ Ж [24,2б] до дозы 13н.а. увеличениеоростиещении от 7*10"^н.а./с до 7*10н.а./с приводило квигу температурной зависимости распухания на 75° ворону более высоких температур. Похожеруктуры пор наблюдались при нейтронном и ионном облученииоростями образованияещений 8*Ю~7н.а./с и 7'Ю"-3н.а./с и при температурах 650° и 870°Сответственно. Таким образом, увеличениеоростиещений в 10^ раз шестеувеличением температуры на 220 °C не приводит к изменениям распухания, [дз]
Доза облучения. В зависимости от дозы обычно наблвдается следующие стадии изменения ансамбля пор. Концентрация пор с ростом дозы облучения сначала растет, достигает максимума, после чего падает [26,27] (Рис.1). На последней стадии обычно наблюдается растворение и слияние отдельных пор [27]. С увеличением дозы увеличиваются средний размер пор и их разброс по размерам. Такое поведение набладалось в алшинин, облученном нейтронами при 55 °C [28].
В процессе облучения происходит образование (наряду с начальной) дислокационной структуры. В отояженных образцах с низкой начальной плотностью дислокаций вначале появляются и растут дислокационные петли междоузельного типа, которые постепенно образуют дислокационную сетку, плотность которой с ростом дозы сначала растет, может достигать величины, а потом
Рис. I. Зависимость концентрации пор от дозы в никеле и нержавеющей стали 316 при облучении ионами углерода при 525 °C [2б].
I ЛОЗАн.а.
Рис. 2. Зависимость плотности дислокаций от дозы в никеле и нержавеющей стали 316 при облучении ионами углерода при 525 °C [2б] падает, как в Ш [2б], или достигает насыщения, как вали 316 встоянии твердого раствора при дозах ^ 100н.а. (Рис.2), Кроме междоузельных петель при низких температурах и высокихоростяхзданияещений мсяут насаждаться мелкие вакансионные петли [29]. В ГЦК металлах мевдоузельные петли представляютбой вначале петли Франка, имеющие дефект упаковкивектором Еюргерса а/3 <Ш> (а — постоянная решетки). Такие петли наблвдались в никеле ["29,30], меди [30,3l], алюминии [32], аустенитных нержавеющихалях [зз]. По мере роста они теряют дефект упаковки и перестраиваются ввершенные петливектором Воргерса а/2 <П0> [32,33]. В СЦК металлах обнаружены тольковершенные петливектором Бюргерса а/2 (Мо [20,34], Mi [34], W [35]).
Зависимость распухания от дозы облучения исследована в ряде металлов. При электронном облучении никеля при 450 °C, предварительно насыщенного аргонда или гелием [l5], распухание вначале растет квадратично в зависимости от дозы, а затем линейно, после чего выходит на насыщение при дозах30н.а. При облучении никеля ионамилена [зб] при 500−550°С отсутствует начальный квадратичный участок, а при облучении электронами предварительно облученного нейтронами никеля распухание изменяется линейнодозой и не выходит на насыщение вплоть до доз 40н.а. [37]. Линейная зависимость распухания от дозы имеет место также для кобальта, алюминия и магния при облучении нейтронами [28,38−40]. В нержавеющихалях и другихлавах при электронном и ионном облучении вначале наблюдается что-то вроде инкубационного периода, когдаорость распухания мала. Так, при облучении нержавеющейали 316 ионами углерода при 525 °C дислокационные петли и поры появляются лишь при дозах я2н.а. [2б]. После этого периода при малых дозах распухание пропорционально квадрату дозы, а затем с ростом дозы переходит в близкую к линейной зависимость [1б]. При больших дозах может наступать насыщение. В случае нейтронного облучения дозная зависимость для нержавеющих сталей степенная, показатель п которой изменяется в пределах ½ ч< 2и зависит от температуры [41]. Эксперименты по электронному и ионному облучению показывают, что цри больших дозах существует эффект насыщения распухания, который был обнаружен в никеле [42,43] и меди [44]. Падение скорости распухания сопровождается падением концентрации пор, а в никеле наблюдается снижение плотности дислокаций.
I.I.3. Влияние примесей
Газовые пшмеси. Газовые примеси образуются в материале как при облучении нейтронами (гелий в результате (П, оС) реакции [45]), так и на ускорителях при облучении протонами или ж -частицами [46,47]. Обычно влияние газовых примесей сводится к увеличению концентрации пор, уменьшению их радиуса, распухание же практически не меняется [ 18,27,44]. Имеются отклонения от такого поведения. Так присутствие кислорода в облученной нейтронами меди и никеле, облученном ионами никеля, уменьшает концентрацию пор, увеличивает их средний радиус и распухание [39].
Тветоше щжмеси. Влияние примесей на характер образующейся субструктуры неоднозначно и зависит от многих факторов таких как вид облучения, тип и количество примесей, температура. Так добавление титана к ванадию [34], а железа и молибдена к никелю [зэ]уменьшает распухание. В высокочистда никеле плотность пор и петель выше, чем в никеле коммерческой чистоты [зо] при одних условиях облучения. Добавки германия к меди также уменьшают расцухание [зэ], в то время как серебра увеличивают расцухание [44]. Добавки алюминия к меди уменьшают распухание при 250 °C и увеличивают его при I25°C [l3], то есть вызывают смещение температурного интервала, где имеет место рост пор в меди. В работе [48] проведено подробное исследование влияния различных добавок к алюминию на образующуюся радиационную субструктуру при облучении нейтронами при температуре 0,37 Т^. Показано, что такие элементы как Ag., Са «Fe, Мд $ Ni «5пи2|г при концентрации I0"2 ат % не оказывают влияния на образующуюся структуру, в то время как Сг, Си., Мп, Ti .V и lz при той же концентрации, a Mg и Si при больших концентрациях подавляют образование пор и дислокаций. Примеси чаще вызывают уменьшение концентрации пор, чем их среднего размера. При введении примеси наряду с порами и дислокациями обнаружены выделения, которые в некоторых сплавах, 1де образование лор подавлено, имеют плоскую форду и образуются на дислокационных петлях. Большинство элементов, подавляющих образование пор, уменьшают параметр решетки в алюминии и имеют большую энергию связи с меадсузельными атомами, чем с вакансиями, что согласуется с поведением сплавов на основе никеля[49]. В работах [50,5l] проведено систематическое изучение влияния примесей в разбавленных сплавах Nl-V/oTl, Wi-lYoMo, Ni-i°/0At tNi-T/oZl при облучении 2,8 МэВ до дозы 8,1н.а.оростью дозы 4*10н.а./с при температурах 525, 625 и 675 °C [бо] и при нейтронном облучении до дозы 7,6н.а. при 455 °C [51]. При ионном облучении распухание чистого никеляставляло 1−5 $, в то время как в Nl-V/Л* №-?%Tl ^0,01−0,35 $. Сплав A/i-1°/0Moдержит лоры только при 525 °C, в то время как влаве Ni- Г/Sl распухание подавлено при всех температурах. При повышении температуры плотность дислокаций уменьшается во всех образцах. Во всех сплавах кроме Nl-{/0Tl обнаружены дислокационные петли. В случае нейтронного облучения распухание в сплавах Nl — 1°/0М было несколько большим, чем у чистого M. 5l], в отличие от результатов по ионному облучению, в то время как в сплаве
Ni-1'j.k распухание меньше при нейтронном облучении. При этом плотность пор как в чистом Nl. так и в сплаве Ni-Цк одинакова, а диаметр пор в сплаве меньше приблизительно вдвое. Результаты по ионному облучению сплава Ni-i?50] согласуются с результатами [49], где облучение производилось до меньших доз, но расходятся по другим сплавам, для которых в последней работе была получена более высокая плотность пор при меньших дозах.
Другое явление, в котором влияние примеси является важным, представляет радиационное охрупчивание, заключающееся в снижении пластических свойств металлов при облучении, показателем которого служит уменьшение относительного удлинения при испытаниях на растяжение под постоянной нагрузкой. Так в нержавеющих сталях усиление охрупчивания происходит при повышении концентрации углерода и азота [52]. Радиационное охрупчивание также имеет место в сплавах Fe-ОДО, Fe-0.5/??B, Fe-0.5e/Sn [53,54].
В последних работах, также как и в [55] влияние примеси на радиационно-обус-ловленные механические свойства материалов связывается с наблюдаемыми в экспериментах по облучению (см. обзор [5б] и литературу к нему) и закалке [57,58] сегрегациями примесей на стоках точечных дефектов. Такие сегрегации могут приводить к образованию радиационно-обусловленных выделений в ненасыщенных твердых растворах, отсутствующих при данных внешних условиях без облучения.
Образование выделений. Образование выделений в ненасыщенных твердых растворах наблюдалось в сплавах A/iSl [59,60,6l], A/iGb [62], NiBe [бз] И АИп [64] при облучении I МэВ электронами. Так как температура, ниже которой наблюдаются выделения, зависит от состава сплава и скорости образования точечных дефектов, то результаты по распаду твердых растворов под облучением удобно представить на фазовых диаграммах в координатах: скорость образования точечных дефектов — температура. Такие диаграммы для различных сплавов представлены на Еис.З. В случае сплавов A/i&i и А? Хи температура образования выделений растет с увеличением скорости образования точечных дефектов, в то время как в случае сплава A/iGe она уменьшается. Кроме того для сплавов AfiSl существует низкотемпературный предел образования выделении, величина которого падает с ростом скорости образования дефектов. В случае сплавов на основе никеля выделения обычно декорируют дислокационные петли междоузельного типа, в то время как в сплаве MIyi наблюдается гомогенное распределение выделений.
Одним из возможных механизмов, приводящих к образованию сегрегации примеси на стоках точечных дефектов, является механизм образования подвижных бинарных комплексов собственный точечный дефект — атсм примеси [55]. Существование таких комплексов подтверждается экспериментами по внутреннему тренню [бб], ионнсму канажрованшо [бб] и изменению электрического сопротивления в процессе отжига [67]. Обычно примеси, вызыващие локальное расширение в решетке матрицы, сильно связываются с вакансиями, а вызывающие локальное сжатие с междоузелышми атомами. Так атомы углерода и азота в железе, находящиеся в междоузлиях, образуют комплексы с вакансиями, а бериллия в меди и кремния в никеле, находящиеся в положении замещения, с собственными междо-узельными атомами ^65,66,67^. В последнем случае один из атомов матрицы, образующих собственную гантель, вытесняет атом цримеси, находящийся в положении замещения, в результате чего образуется примесная гантель. Такой механизм миграции примеси в составе примесной гантели, приводящий к образованию сегрегации примеси на стоках дефектов, предложен в [б8]. с.н.а./c
-6ат%9> а) о 200 400 600 Т°С d 1д-выдел ehuu нет 1 — вып-еления есть &н.а./с о' I I
«
А 2 1 б- с.н.а./с
6) 100 150 200 т’с
Рис. 3. Диаграммы существования радиационно-обусловленных выделений в координатах скорость смещений (Q) — температура (Т°С) при облучении I МэВ электронами для: а) А/с — 2 ат$, 4 ат#, 6 ат#
Si — б) Ni -6 ат^бе — в) kl — 2 ат% Zn [б£].
1.2. Состояние теоретических исследований
I.2.I. Основные принципы формирования дефектной структуры
В общих чертах явление образования радиационно вызванной дефектной структуры в настоящее время понятно. Падающие на материал высокоэнергетические частицы создают там первичные точечные дефекты-вакансии и мездоузельные атомы. В результате в материале возникает пересыщенный тверцый раствор этих дефектов. Если рассмотреть область температур, где оба типа точечных дефектов являются подвижными, то по прошествии некоторого времени после включения облучения устанавливаются надравновесные стационарные концентрации вакансий и междоузелъных атомов, определяемых из условия баланса процессов создания точечных дефектов за счет облучения и диффузионно-контролируемых процессов их взаимной рекомбинации и поглощения на различных стоках: порах, дислокациях, границах зерен, включениях и поверхностях образца. Радиационно вызванная дефектная структура, основными элементами которой являются поры и дислокационные петли, возникает в результате распада пересыщенного твердого раствора вакансий и мевдсузельных атсмав.
Зарождение скоплений точечных дефектов таких, как дислокационные петли и поры, является основным процессом, определяющим формирование дефектной структуры на начальной стадии, и представляет собой процесс чрезвычайно чувствительный к условиям в облучением материале. Зарождение мавет происходить различными способами: чисто фпуктационно (гомогенное заровдение), на центрах, которыми могут быть примесные или газовые атомы и их скопления (гетерогенное заровдение), а также на дислокациях и границах раздела фаз. Различные механизмы зарождения рассмотрены в работах [б9,7о] и диссертациях [71−73]. После того как концентрация скоплений становится значительной, пересыщения точечных дефектов падают и развитие дефектной структуры происходит за счет диффузионного роста ее элементов, а зарождения новых не происходит из-за того, что пересыщения малы. Однако поскольку падающие частица создают одинаковое число вакансий и междоузельных атомов, то одновременный рост пор и междоузельных дислокационных петель возможен лишь при условии существования механизма разделения этих: дефектов. Для объяснения экспериментальных фактов достаточно, чтобы разность диффузионных потоков вакансий и мевдоузельных атомов к порам составляла лишь несколько процентов от диффузионного потока вакансий или междоузельных атомов.