Введение к работе
Актуальность темы.
Появление лазеров, а затем ускорителей сильноточных электронных и мощных импульсных ионных пучков создало уникальную возможность получения новых видов воздействий концентрированных потоков энергии на материалы. В отличии от традиционных способов (ударно-волновое нагружение или закалка и отжиг сталей) они сочетают одновременно механическое, тепловое и радиационное воздействия. Это дало возможность создавать в макрообьемах такие высокие плотности возбуждений в электронной и атомной подсистемах твердых тел, которые ранее были достижимы только в микрообластях - треках тяжелых заряженных частиц и каналах электрического пробоя. Обнаружен ряд новых уникальных эффектов, таких как конденсация экситонов в полупроводниках, хрупкое разрушение всех классов твердых тел при воздействии сильноточных электронных пучков, аномальное глубинное упрочнение металлов, облученных мощными импульсными пучками ионов. Это положило начало развитию новых фундаментальных направлений в физике высоких плотностей энергии.
Возникли новые задачи и в радиационном материаловедении. Существующие химико-термические.методы обработки не отвечали решению новых задач и практически исчерпали свои возможности. Это явилось стимулом в эффективном использовании новых видов концентрированных потоков энергии.
Основой любой модификации свойств материалов является создание определенных структурно-фазовых превращений, вызванных специальными видами их обработки. Главные факторы, определяющие характер, взаимодействия концентрированных потоков энергии с веществом, следующие: интенсивность облучения; полная введенная энергия и ее плотность (флюенс); вид частиц и их энергия; условия облучения; физико-химические свойства материала. Широко известные методы лазерной обработки и ионной имплантации,достаточно полно представлены в литературе. В данной работе основное внимание уделено сравнительно новым и, как. уже теперь установлено, успешным методам модификации при облучении мощными импульсными ионными и сильноточными электронными пучками.
Уникальность воздействия импульсных ионных пучков на твердые материалы в обычно применяемых режимах обработки заключается в том, что малые пробеги ионов (0.1-10 мкм), большие флюенсы (1-100 Дис/см^/имп.) при коротких длительностях одиночных импульсов (<1 мкс) обеспечивают высокие значения потока мощности облучения 107-1010 Вт/см , которые при токах в импульсе 5-50 кА и энергиях ионов 0.1-2 МэВ создают идеальные условия для сверхбыстрого (1010-10и К/с) наїрева в об-, ласти поглощения излучения при минимальном теплоотводе. Такой нагрев сопровож-
дается очень интенсивными процессами плавления, испарения и выброса (абляции) материала со стороны облучаемой поверхности, который наблюдается при облучении образцов импульсами лазера. Испаренный материал может формировать специальные покрытия на подложках, а расплав кристалла при быстром остывании (109-1010 К/с) способен создавать аморфные поверхностные слои, различные неравновесные микроструктуры и нерастворимые при обычных условиях твердые растворы, запрещенные диаграммами состояний.
Прогресс в применении мощных импульсных ионных пучков по сравнению с импульсным лазерным излучением в том, что они способны поставлять большую энергию 0.1-70 кДж за импульс при значительно более высоком КПД использования энергии (т.е. отношения вводимой пучком энергии в мишень, к полной энергии, необходимой для генерации пучка), составляющими 15-40 % (для лазера <1%). Поэтому ускорители ионов более компактны и имеют меньшую стоимость, что обеспечивает преимущества их коммерческого использования. Другим существенным достоинством ионных пучков является возможность выбора вида ионов и их энергии, что вместе с соответствующим изменением флюенса позволяет варьировать глубину проплавленного или испаренного слоя. Кроме этого, как показано в работе, мощные импульсные пучки ионов в отличии от импульсных лазерных и электронных более эффективны в формировании пространственных глубинных упрочненных слоев в металлах, что существенно улучшает их механические свойства.
Целью работы является комплексное исследование механизма глубинного упрочнения в металлах и сплавах при облучении мощными импульсными пучками ионов, расчет параметров ударной волны, генерируемой облучением, разработка физической модели этого процесса.
Научная новизна работы представлена:
-
Исследованием процессов формирования глубинных упрочненных слоев в' металлах под воздействием мощных импульсных пучков ионов с использованием уникальных ядерно-физических методов: пучка медленных позитронов (0.2-30 кэВ); измерения кривых углового распределения аннигиляционных фотонов; исследования остаточных деформационных, состояний методом ядер отдачи; определение твердости наноиндентором.
-
Расчетом параметров ударной волны, генерируемой в металлах мощными импульсными ионными пучками
-
Кинетической моделью процессов интенсивного дефектообразования в поле ударной волны, генерируемой импульсными ионными пучками.
Научная ценность состоит в использовании полученных результатов в физике высоких плотностей энергии, плазмы, твердого тела и в физике металлов при сверхплотном возбуждении электронной и атомной подсистем, а также в радиационном материаловедении.
Практическая ценность работы состоит:
-
В разработке нового способа обработки металлов мощными импульсными ионными пучками, формирующего глубинные упрочненные слои и улучшающего их механические свойства.
-
В разработке технологии обработки режущего инструмента и определении ее оптимальных режимов.
Достоверность полученных результатов достигается:
корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью;
использованием современных ядерно^физнческих методов анализа, строгим обоснованием выбора оптимизируемых параметров и экспериментальных методик определения механических и триботехнических свойств;
большим объемом экспериментальных данных и их статистической обеспеченностью;
хорошим согласием расчетных и экспериментальных характеристик, сопоставлением результатов полученных разными методами, их сравнением с результатами других авторов, а также их соответствием современным представлениям физики твердого тела и радиационной физики.
Основные защищаемые положения;
-
Формирование глубинных упрочненных слоев в металлах и сплавах при воздействии мощных импульсных пучков ионов является нелинейным механическим эффектом, который происходит при интенсивностях и флюенсах пучка превышающих некоторые критические значения, зависящие от свойств материала.
-
Образование глубинных упрочненных слоев при облучении импульсными ионными пучками обусловлено генерированием ударной волны в материалах и интенсивным дефектообразованием в области формирования фронта ударной волны.
-
Численный метод моделирования процесса распространения ударной волны дает возможность рассчитать ее основные характеристики.
-
Кинетическая модель дефектообразования в поле ударной волны формирует основу нового метода расчета распределений микротвердости по глубине мишени при различных параметрах облучения мощными импульсными пучками ионов.
Личный вклад автора состоит в реализации основных направлений исследований, планировании эксперимента, разработке его методик и проведении совместно с коллегами экспериментальных исследований, их анализа, теоретического описания, обсуждения и обобщения результатов, формулировке выводов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на: 1) Международной Конференции по Поверхностной Модификации Металлов Ионными Пучками (SMMIB-10, Гатлинбург, Теннесси, США, 1997); 2) 12-ой Международной Конференции по Мощным Пучкам (BEAM'S-98, Хаита, Израиль, 1998); 3) 3-ей Международной Школе-Семинаре "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах" (Барнаул, 1996); 4) Международной Конференции "Ядерная и Радиационная Физика" (Алмати-1997); 5) На семинаре Аэрокосмического Технологического Центра "Allied Signal" (г. Морристоун, Нью-Джерси, США, 1997); 6) 4-ой Казахстанской Конференции с Международным участием по Физике твердого тела (г. Караганда, Казахстан, 1997); 7) 11-ой Международной Конференции по Модификации свойств Материалов Ионными Пучками (IBMM-98, Амстердам, Голландия, 1998).
Публикации. Содержание диссертации изложено в 17 работах, включая 7 опубликованных за рубежом.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 118 стр. текста, 34 рис. и 8 таблиц, включая 90 библиографических наименований.
