Введение к работе
Актуальность работы. При облучении твердого тела энергия налетающей частицы идет на возбуждение ионной (упругие потери) и электронной (неупругие потери) подсистем мишени [1]. Доля энергетических потерь, приходящаяся на упругое и неупругое взаимодействие, определяется скоростью частицы. При малых скоростях (много меньше орбитальной "скорости" электрона) почти вся энергия идет на возбуждение ионной подсистемы мишени. Если скорость частицы велика, неупругими потерями пренебречь нельзя. Например, при облучении материала быстрыми тяжелыми ионами1 (БТИ) с энергией порядка нескольких МэВ на нуклон доля неупругих потерь составляет более 90% всех энергетических потерь налетающего иона.
Упругое взаимодействие налетающей частицы с мишенью ведет к смещению атомов из узлов пространственной решетки и, как следствие, к пересыщению материала вакансиями и собственными междоузельными атомами. Часто в процессе реакторного (термоядерного) облучения в объеме материала накапливаются газы, главным образом гелий, который нарабатывается на («, а)- реакциях или имплантируется непосредственно (в случае реакторов синтеза). Создание избыточной концентрации точечных дефектов и атомов газа приводит к активизации процессов диффузионного перераспределения компонентов, эволюции структуры и фазового состава материала- образованию радиационнс-стимулированных сегрегации, выделений вторичных фаз, ансамблей газовых пузырьков, вакансионных пор и т. п. [2]. Формирование развитой вакансионной и газовой пористости ведет к радиационному распуханию; изменение структурно-фазового состава критическим образом сказывается на механических свойствах облучаемого материала. Анализ закономерностей зарождения и роста ансамбля газовых пузырьков крайне важен для задач радиационного материаловедения.
С точки зрения исследования фундаментальной проблемы многомерных фазовых превращений первого рода в материалах, находящихся в метастабильном состоянии в условиях внешних воздействий, ансамбль газонаполненных пузырьков в твердом растворе, пересыщенном точечными дефектами и атомами газа, представляет собой крайне привлекательную модельную систему, параметры которой можно варьировать в широких пределах и легко контролировать.
Ансамбли пор и выделений являются концентраторами напряжений, модифицирующими поле напряжений в окружающей матрице. Поскольку распространение трещины в процессе разрушения конструкцион-
1 Масса иона М > SOmp, где тр — масса протона
ных материалов определяется локальным распределением поля напряжений в окрестности ее конца, концентраторы напряжений, оказавшиеся в непосредственной близости, могут влиять на зарождение и рост трещины, а значит и на процесс разрушения в целом. Исследование закономерностей взаимодействия трещин с концентраторами напряжений необходимо для адекватного описания прочностных свойств облучаемых конструкционных материалов.
Неупругое взаимодействие налетающей частицы с твердый телом наиболее ярко проявляется при облучении БТИ. При прохождении БТИ через вещество в малом объеме (треке) на расстоянии г ~ 1 нм от траектории движения частицы в электронную подсистему мишени выделяется энергия 1 < АЕ < 10 КэВ/А Последующая передача энергии от возбужденных электронов в ионную подсистему вызывает структурно-фазовые изменения материала в цилиндрической области размером несколько нанометров вблизи от траектории налетающей частицы.
Изучение неупругого взаимодействия налетающего иона с материалом весьма актуально, например, для разработки оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), подвергающихся жесткому облучению осколками деления ядерного топлива. Прогресс в исследовании неупругого взаимодействия налетающей частицы с материалом мишени в настоящий момент сдерживается отсутствием общепризнанных аналитических моделей, а оценки, проведенные в рамках существующих подходов к описанию первичных процессов, протекающих в треке, различаются на порядок величины [3]-[8]. Теоретические и экспериментальные подходы, позволяющие сделать выбор в пользу конкретных механизмов весьма важны для понимания необычных макроскопических проявлений облучения БТИ, которые в настоящее время являются предметом интенсивных фундаментальных (электрон-ионное взаимодействие, эволюция структуры) и прикладных (нанотехнологии, модификация физико-механических свойств) исследований.
Цель работы. Основная цель работы состоит в исследовании особенностей структурно-фазовых превращений в материалах, подвергаемых различным типам облучения и влияния структурных особенностей материала на его прочностные свойства.
Научная новизна. В настоящей работе впервые:
1. В рамках формализма узловых линий с использованием уравнения состояния газа в модели 'твердых сфер" описана эволюция ансамбля газовых пузырьков в твердом растворе, пересыщенном вакансиями,
собственными междоузельными атомами и атомами газа. Подробно исследованы режимы превращения газовых пузырьков в вакансион-ные поры. Впервые получены общие аналитические выражения для критических параметров системы. Показано, что предлагавшиеся ранее модели являются предельными случаями предложенного общего формализма.
-
Детально изучено влияние особенностей присоединения/отрыва точечных дефектов и атомов газа на поверхности пузырьков ("граничной кинетики") на зарождение и рост ансамбля газовых пузырьков в многокомпонентном пересыщенном твердом растворе. Получены условия, при которых граничная кинетика оказывает решающее влияние на эволюцию ансамбля газовых пузырьков.
-
Решена задача образования (квази)хрупкой трещины на концентраторе напряжений в материале, подвергаемом одноосному растяжению. Получено выражение для предела прочности как функция приложенной внешней нагрузки, размера концентратора напряжений и напряжений, действующих на границе раздела с матрицей. Вычислены значения напряжений, необходимых для зарождения трещины на вакансионной поре, газовом пузырьке и выделении второй фазы. Проведен расчет эффекта локального упрочнения материала, содержащего выделения, которые создают в окружающей матрице поле растягивающих напряжений.
-
Исследована проблема равновесия (квази)хрупкой трещины в упруго-деформируемом материале, содержащем бесконечную цепочку концентраторов напряжений. Получены общие аналитические зависимости, описывающие равновесную длину трещины как функцию приложенной внешней нагрузки, размеров концентраторов напряжений, расстояния между ними, действующих внутренних напряжений на поверхности концентратора и трещины. В рамках единого подхода проведен расчет предела прочности материала, содержащего цепочку вакансионных пор, газовых пузырьков и выделений второй фазы.
-
Рассмотрек метод расчета компонент тензора напряжений в упруго-деформируемом материале, содержащем цепочку концентраторов напряжений. Вычислены компоненты тензора напряжений для одноосного растяжения материала, всестороннего растяжения (сжатия) и чистого сдвига.
6. Предложен и теоретически обоснован эксперимента по прямому измерению температуры ионной подсистемы материала в треке БТИ путем фиксации структурно-фазовых изменений в наноразмерных выделениях. Исследовано влияние параметров ансамбля выделений, окружающей матрицы и термической вспышки на время структурно-фазовых превращений в выделениях.
Теоретическая значимость результатов исследований. Формализм, предложенный для описания эволюции ансамбля газонаполненных пузырьков в пересыщенном многокомпонентном твердом растворе, является обобщением общепризнанной теории формирования вакансионной пористости в облучаемых твердых телах [11]. Процессы, протекающие при распаде пересыщенного твердого раствора, описаны из "первопринципов" без использования ограничивающих предположений [11].
Предложенные методы расчета предела прочности упруго-деформируемого материала, содержащего ансамбли концентраторов напряжений, и полученные результаты позволяют расширить современные представления о влиянии структурных неоднородностей на физико-механические свойства многофазных конструкционных материалов.
Практическая ценность полученных результатов. Результаты работы являются развитием современных методов аналитического описания кинетики фазовых превращений первого рода в открытых многокомпонентных системах. Исследование кинетики ансамбля газовых пузырьков имеет важное прикладное значение в области материаловедения.
Прогресс в методах теоретического исследования зарождения и роста трещины в многофазных материалах в применении к конструкционным материалам атомной энергетики позволяет прогнозировать изменение эксплуатационных свойств материалов в условиях внешнего воздействия.
Предложенный алгоритм расчета тензора напряжений многофазного материала позволяет вычислить компоненты тензора для большого класса задач математической теории упругости.
Эксперимент по прямому измерению температуры ионной подсистемы материала, облучаемого БТИ открывает новые возможности для аналитического и экспериментального исследования и практического применения облучения БТИ в области радиационной физики твердого тела.
Конкретный личный вклад автора. Соискатель принимал непосредственное участие в обсуждении постановки задачи по исследованию кинетики ансамбля газонаполненных пузырьков в пересыщенном многокомпонентном твердом растворе и проблеме измерения температуры ионной
подсистемы в треках БТИ. Постановка задач, посвященных исследованию прочностных свойств многофазных материалов выполнена автором самостоятельно. Все аналитические выкладки и компьютерные эксперименты проведены соискателем. Анализ полученных результатов и подготовка публикаций выполнены с соавторами.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались автором на ежегодных. конференциях 0-52 Института общей и ядерной физики (1996-1999 гг.). Seventh International Conference on Fusion Reactor Materials (ICFRM-7, Obninsk, 25-29 September 1995), Fourth International Symposium on Swift Heavy Ions in Matter (SHIM 98, Berlin, 11-15 May, 1998), 12 Межгосударственной конференции «Физика радиационных явлений и радиационное материаловедение» (МКФРЯиРМ-12, Алушта, 3-Ю Сентября 1998г.), VI Александровских чтениях (РНЦ "Курчатовский институт", 16 февраля 2000 г.). Тезисы, посвященные проблеме аморфизации наноразмерных выделений в треках БТИ, приняты в качестве устного доклада на 11'Л Conference on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter, (Tomsk, 24-29 September, 2000). На конкурсе РНЦ "Курчатовский институт "среди молодых ученых и инженеров-исследователей результаты работ, вошедших в диссертацию, были отмечены премиями в 1997 г. (III премия), 1998 г. (поощрительная премия) и 1999 г. (II премия).
По теме диссертации опубликовано 8 работ в рецензируемых международных и российских журналах. Список работ приведен в конце автореферата.
Положения, выносимые на защиту.
-
Аналитическое описание кинетики ансамбля газовых пузырьков в твердом растворе, пересыщенном вакансиями, собственными междо-узельными атомами и атомами газа в рамках формализма узловых линий с использованием реального уравнения состояния газа в пузырьке. Рассмотрение двух стадии детерминированного роста пузырька с газом. Аналитический расчет количества газа и числа вакансий в критическом пузырьке, когда медленная стадия роста, контролируемая натеканием газа, сменяется ускоренной стадией роста, определяемой диффузией вакансий.
-
Исследование влияния особенностей присоединения/отрыва точечных дефектов и атомов газа на поверхности (граничной кинетики) на зарождение и рост ансамбля газовых пузырьков в многокомпонентном пересыщенном твердом растворе. Анализ условий, при кото-
рых граничная кинетика оказывает решающее влияние на эволюцию ансамбля газовых пузырьков.
j. Исследование условий равновесия (квази)хрупкой трещины, сформированной на концентраторе напряжений. Расчет зависимости равновесной длины трещины от приложенной внешней нагрузки, напряжений, действующих на границе раздела с матрицей, размера и типа концентратора напряжений.
-
Исследование зарождения и роста (квази)хрупкой трещины в материале, содержащем бесконечную цепочку концентраторов напряжений. Расчет предела прочности материала, содержащего цепочку ваканси-онных пор, газовых пузырьков и выделений второй фазы.
-
Метод расчета компонент тензора напряжений в упруго-деформируемом материале, содержащем цепочку концентраторов напряжений. Расчет тензора напряжений для одноосного растяжения материала, всестороннего растяжения (сжатия) и чистого сдвига.
-
Анализ влияния параметров наноразмерных выделений, окружающей матрицы и термической вспышки на время структурно-фазовых превращений в выделениях. Теоретическое обоснование применения металлов с наноразмерными выделениями для прямого измерения температуры в треках БТИ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Основная часть диссертации содержит 159 страниц текста, включая 59 рисунков и список цитированной литературы из 103 наименований.
