Введение к работе
Актуальность проблемы. Аморфтаа сплавы это металлические системы, в которых отсутствует дальний порядок в распологешта атомов , но которые обладают определенным блихнпм порядком . Отсутствие наблюдаемых протяженных дефектов с высокой степенью локализации избыточной энергии, аналогичных дислокациям и границам зерен в кристаллах, обеспечивает микроструктурную однородность аморфной системы. Более того, многокомпонентные аморфные сплавы., получаемые быстрой закалкой из расплава, обычно представляют собой однофазную систему (пересыщенный твердый раствор), атомная структура которого непосредственно после получения соответствует структуре переохлахденого расплава.
Подобная микро- а макро- однородность обуславливает уникальные физические, механические и химические свойства аморфных металлических сплавов : высокую прочность, пластичность и износостойкость; повышенную коррозионную стойкость; высокую магнитную проницаемость и особые влектрические свойства,делает эти сплавы привлекательными и для радиационных технологий. Однако применение металлических стекол в этой области наталкивается на ряд принципиальных проблем.
существующие метода получения аморфных сплавов основываются на высокой скорости охлаждения расплава (йГЛЛЯсАс/с) с целью быстрого преодоления узкого температурного интервяла (ЛТХ100Х) вблизи идеальной температуры стеклования Т0, в котором вязкость материала резко увеличивается от значений, характерных для переохлажденного расплава, до значений пЯО1"3 дин-с/см2, характеризующих твердое тело. Это позволяет избегать кристаллизации расплава, требувдей определенного времени на процесс зарождения кристаллов и необходимого массопереноса.
Свежеприготовленные металлические стекла наследуют структуру
расплава, соответствующую температуре затвердевания (стеклования) Т.т (Т >Т,Г>ТП, где Т.,- тыдифятура плавления), и при температурах ТСт, являются неравновесными. О точением времени ати системы ролчкоирувт к более устойчивому яморфя'./му состоянию. Структурная рллау.спцил металлического отокла характеризуется определенными и:-'.м>?іі'"'ниями в топологическом и химическом ближних порядках и приводит к изменению физических свойств материала: увеличению плотности, уменьшению диффузионной подвижности атомов, потере пластичности, изменению магнитных и упругих свойств материала, измянению электросопротивления и теплоемкости. Дальнейший отжиг приводит к кристаллизации металлического стекла и потере присущих материалу уникальных физических свойств.
Облучение твердых тел быстрыми тяжелыми ионами связано с возможными значительными передачами энергии и импульса от тгрсниканжлх частиц к ионной и электронной подсистемам облучаемого тела. Процессы переноса и диссипации импульса и энергии в ионной и электронной подсистемах приводят к возникновению вблизи траектории нялотящяй частин» за время tslO с области материала, характеризующейся значительными, сильно неоднородными полями температура, напряжений и атомных смещений, повышенной подвижностью атомов. Конкретные характеристики этой области определяются параметрами облучения и материала.
Возникновение в облучаемом неравновесном металлическом стекле подобных анизотропных, неравновесных областей, параметры которых изменяются со временем, и формирование которых обычно сопровождается накоплением определенных примесных атомов (например гелия), может существенным образом изменить кинетику структурной релаксации и кристаллизации аморфных сплавов и привести к радикальному и неожиданному изменению их физико- механических свойств . При втам течение хорошо известных рвдиацконио стимулированных процессов, например радиационного распухания, может быть различным в аморфных и кристаллических материалах. Колее того возникновение подобных областей в неравновесных аморфьл твердых телах вызывает явления не наблюдаемые в кристаллах.
Несмотря на привлекательность аморфных сплавов для радиационных технологий, практически отсутствуют экшриментяльныэ работы в этом
направлении. Отсутствие теоретических исследований в области радиационной физики аморфных твердих тел не позволяет оценить влияние различных видов облучения на свойства этих тел, что в свою очередь затрудняет экспериментальный поиск радаяштонно стойких аморфних материалов. Подобные теоретические исследования и их дальнейшее сравнение с эксперименте?* могут явиться источником нових идей способствущих пониманию механизмов образования дефектов структуры в аморфных материалах, а также предсказанию не исследованных ранее радиационных аффектов в аморіїшх и кристаллических твердых телах.
Основная цель работы состоит в исследовании кинетики неравновесных процессов перенося и дксстт".цга энергии и импульса, переданных проникающей заряженной частицей электронное и конной подсистемам облучаемого теля, процессов связанных с накопленном в веществе примесных атомов (гелия) в результате "'лучения, а так/е влияния этих процессов на радиационную и термическую стойкость аморфных сплавов.
Научная новизна. В настоящей работе впервые:
1. На основании микроекглтичекого описания получен обкій С'Щ
кинетических коэффициентов уравнения Фоккера- Планка U'''-П),
описыващего зарождение газовых пор в перестлав ином расп-.орэ
вакансий (В) и газовых атомов (ГА) в кристаллах. На основании этих
выражений проанализировали условия применимости
феноменологического описания для определения стационарной скоро cm
зарождагая этих пор.
2. Использование для описания состояния газа в поре уравнения
"твердых сфер", справедливого, как при высоких, так и при низких
плотностях газа, показало, что при характерных концентрациях голия
0^-1 л3- 104арря1 (ТЯР), плотность ГА в зародившейся поре
соответствует хидкому состоянии.
3. Показано, что наличие газа в поре снижает барьер нуклеации этих
пор и сдвигает максимум температурной зависимости их скорости
зароучдегоїя в область солее низких температур.
4. Исследовано зарождение газовых пор в рвлаксирущем аморфном
сплаве, содернагдем растворенные газовые атомы. Показано, что в
аморфных сплавах с высокой температурой кристаллизации возможна
стабилизация газом мелких флуктуациооных пор. Отмечено, что
дальнейший рост жизнеспособны! пор создает дополнительный по отношению к поверхности сток для избыточного объема неравновесного аморфного сплава и тем самым ускоряет структурную релаксации этого сплава.
Б, Проанализированно влияние изменений в динамических хэрактериотиках аморфной системы при введению! в нее примесных атомов на процесс образования в ней кристаллических зародышей. Проведенные теоретические и вкспериментальные исследования показали, что примесь, при прочих равных условиях, увеличивающая среднюю частоту нормальных колебаний в металлическом стекле, уменьшает барьер нуклеации кристаллов и снижает температуру кристаллизации этого стекла.
6. Разработана теоретическая модель вязкоупругого течения
материала, описывающая ^юр/ирование трека вблизи траєкторія
быстрого тяжелого иона. Предложенная модель дает возможность
оценить применимость различных механизмов передачи и диссипации
энергии и импульса в возбужденных электронной и ионной подсистемах
облучаемого тела вблизи траектории проникающей частицы на процесс
формирования трека быстрого тяжелого иона. Показана определяющая
роль начального разогрева ионной подсистемы, происходящего в
результате передачи анергии от возбужденной электронной
подсистемы, на формирования трека тяжелой высокоэнергетической
частицы.
-
Проведений в рамках диффракционной модели анализ электрон-ионного взаимодействия в неупорядоченном металле показал, уменьшение характерного времени пр&дачи анергии от возбужденной электронной подсистемы к длинноволновым фононам в аморфных металлах по сравнению с их кристаллическими аналогами.
-
Исследовано ионизационное равновесие между локализованными и делокалвзованвдмк состояниями в возбужденной электронной подсистеме облучаемого тела. Получена оценка функциональной зависимости электронной температуры от электронных потерь энергии быстрого тяжелого иона.
-
Исследована кинетика анизотропного роста аморфных твердых тел, облучвемых тяжелыми быстрыми ионами. Разработана теоретическая модель, рассматривающая это явление, как суммарный эффект перекрывающихся треков.
10. Проведено сравнение результатов теоретических исследований и имеющихся экспериментальных дашшх по анизотропному росту аморфных твердых тел. Объяснены:
а) зависимость скорости анизотропного роста от электронных
потерь энергии быстрого тяжелого иона; С) зависимость скорости анизотропного роста от температура
облучения; в) зависимость скорости анизотропного роста от упругих потерь энергии быстрого тяжелого иона.
Практическая и научная ценность результатов.
Рассмотренные в диссертации особенности гашетнки неравновесных процессов в облучаемых ачорфгах и кристаллических твердых телах могут найти применение для более глубокого понимания целого ряда эффектов, связанных с термической и радиационной устойчивостью фізико- механических свойств аморфянх сплавов, а такав с проблемами радиационного распухания и радиационного охрупчивания твердых тел.
Так рассмотренное зарождение газовых пор в кристаллах позволяет оценить начальную концентрацию газовых пор и начальную концентрацию ГА в них в зависимости от параметров облучения и материала, что имеет важное значение для описания всей последухщэй кинетики радиационного распухания.
Ускоренная структурная релаксация неравновесных аморфных сплавов в присутствии растворенных ГА и связанное с ней образование в материале газовых пор мояет играть важное значение в изменении ііизико- механических свойств металлических стекал под облучением.
Обнаруженная корреляция между динамическими характеристиками аморфных сплавов, содержащих примесные атомы, и их температурой кристаллизации мояет служить удобным критерием для оценки устойчивости к кристаллизации металлических стекол при введении в них примеси.
Предложенный механизм формирования треков позволяет связать параметры облучения и материала с характеристиками первичных полей деформаций, игращих важную роль в последугцей кинетике ансамбля дефектов, созданных облучением.
Предложенная модель анизотропного, роста аморфных сплавов позволяет описать зависимость скорости анизотропного роста от
параметров облучения и материала и дает практические рекомендации для экспериментальных исследований итого аффекта.
Основные положения диссертации, уыноспмые автором на защиту:
1.Исследование кинетики зарождения газовых пор в пересыщенном растворо вакансий и газовых атомов в кристаллах с учетом реального уравнения состояния для газа в порах.
2.Исследование влияния растворенного газа на процесс структурной релаксации неравновесных аморфных пплавов, а также кинетика образования газовых пор в релаксирупцем металлическом стекле.
3.Результаты теоретического и экспериментального исследования
термической устойчивости аморфных двухкомпонентннх сплавов по
отношению к кристаллизации. Исследована связь между изменениями
динамических характеристиках аморфного сплава, вносимых
примесными атомами, и температурой кристаллизации этого сплава.
4.Анализ кинетики образования трековых областей при облучении аморфних и кристаллических твердых тел тяжелыми ионами высоких анергий. Оценено влияние различных механизмов передачи энергии и импульса от возбужденной электронной к ионной подсистеме облучаемого тела на величину пластического течения материала в зоне трека. Анализ влияния степени неупорядоченности атомной структуры облучаемых материалов на процесс образования треков.
Б.Результаты исследования анизотропного радиационного роста аморфных твердых тел при их облучении тяжелыми ионами высоких энергий. Исследовано влияние электронных и упругих потерь энергии налетающей тяжелой частицы и температуры облучения на скорость анизотропного радиационного роста аморфных твердых тел.
АппрАЯация работы. Основные результаты работы докладывались на ежегодных конференциях Отделения общей и ядерной физики ИАЭ им.И.В.Курчатова (1986-1991); на ЦТ-ем Всесоюзном совещании по физикохимии аморфных (стеклообразных) металлических сплавов (Москва 1939); на 7-ой Международной конференции по жидким и аморфным металлам (Киото, Япония 1990); на 11-ом международном симпозиуме ЗАМРЕ (Чиба, Япония 1991).
Пуг'такаиии. По результатам диссертации опубликовано 8 работ, 6 из которых опубликовано в центральных российских и международных журналах. Список работ приведен в конца автореферата.
Объг;м диссертант/. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, заключения и содержит 123 ' страница текста, включая 7 рисунков и список литературы из 102 наименований.
