Особенности структурного разупорядочения быстрыми нейтронами атомно-упорядоченных сплавов и соединений Дубинин, Сергей Федорович

Введение к работе

Актуальность темы. С появлением ядерных реакторов в конце 40-х начале 50-х годов, в которых сосуществуют интенсивные потоки быстрых нейтронов- п и жесткого гамма излучения-у, было обнаружено, что реакторные материалы значительно изменяют свои свойства под действием облучения. В связи с этим началось подробное изучение, с одной стороны, физических процессов воздействия п, у - излучения на твердые тела, а, с другой стороны, структурного состояния радиационно-модифицированных материалов. Фактически в эти годы сформировалось новое научное направление - радиационное материаловедение.

Примерно в эти же годы возникла новая область науки - радиационная физика твердого тела. Начало этого этапа обычно связывают с появлением работы Вигнера [1], который теоретически показал, что при облучении твердого тела тяжелыми частицами происходят смещения атомов из узлов кристаллической решетки, в результате которых в кристалле образуется избыточная (относительно равновесной) концентрация точечных дефектов. Большинство работ, выполненные в 50-е - 60-е годы, относилось именно к различным аспектам проблемы радиационных дефектов в чистых металлах. Эти вопросы хорошо освещены в известных монографиях Дж. Динса, Дж. Винйарда [2] и С.Т.Конобеевского [3] Позднее по этой проблеме появились монографии М. Томпсона [4] и В.В. Кирсанова, А.Л. Суворова, Ю.В. Трушина [5].

Мощным стимулятором исследований в области радиационной физики твердого тела послужило промышленное освоение ядерной энергетики и создание дорогостоящих программ космических исследований. Именно в этот период активно велись исследования физических (прежде всего механических) свойств облученных сплавов, близких по составу к техническим сталям.

Монографии по данным вопросам были написаны уже на рубеже 80-х - 90-х годов, см., например, [6].

Однако работы, сделанные за последние десятилетия по радиационной
физике твердого тела, все таки не давали возможность, на наш взгляд,
составить целостную картину воздействия л , у - излучения на сплавы и
соединения. В частности оставались проблемы с физикой первичных
процессов взаимодействия быстрых нейтронов со сплавами и

многокомпонентными соединениями. Чувствовался также недостаток радиационно-физических экспериментов, поставленных на модельных сплавах.

Итак, актуальность работ в области радиационной физики сплавов и соединений определяется, прежде всего, все возрастающими техническими потребностями атомной промышленности и необходимостью решения, в этой связи, важных фундаментальных вопросов.

Цель и задачи работы. Настоящая работа посвящена фундаментальным
вопросам радиационной физики атомно-упорядоченных сплавов и

соединений, подвергнутых воздействию быстрых нейтронов. Необходимо было вскрыть и исследовать основные особенности структурного разупорядочения этих веществ быстрыми нейтронами. Под структурным разупорядочением мы понимаем в данном случае довольно широкий круг радиационных эффектов, приводящих к нарушению периодичности исходного кристалла (например, в чистых металлах это могут быть микрообласти с повышенной концентрацией вакансий).

Отметим здесь, что атомно-упорядоченные конденсированные системы включают в себя широкий набор элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева. Кристаллические и магнитные структуры твердых тел данного класса очень многообразны и подробно описаны в многочисленных оригинальных работах и монографиях. В плане изучения особенностей структурного разупорядочения кристаллов вовсе не требуется исследовать большое число таких веществ. Это связано с динамикой атом-атомных

столкновений в процессе облучения твердых тел. ЭВМ- эксперименты свидетельствуют [7], что наибольшее число смещенных быстрыми нейтронами атомов образуется в кристалле, когда энергии атом-атомных столкновений в каскадах превышают сотни электрон-вольт. При таких высоких энергиях взаимодействия масштаб радиационного повреждения определяется главным образом атомными весами элементов конкретного соединения.

Для получения картины структурных нарушений, создаваемых быстрыми нейтронами в атомно-упорядоченных конденсированных системах, достаточно, на наш взгляд, систематического исследования нескольких модельных сплавов и соединений. Важным условием при выборе модельных объектов в данной работе была контрастность следов, оставляемых быстрыми нейтронами в кристаллических решетках этих веществ.

В качестве основного в работе выбран метод дифракции тепловых нейтронов. Основное достоинство этого метода состоит в том, что падающие нейтроны, в силу нейтральности, равномерно освещают образцы больших линейных размеров и должны давать информацию о радиационных повреждениях в объеме массивных сплавов и соединений.

С целью повышения чувствительности и качества нейтронографических исследований структурного состояния облученных веществ, основные эксперименты выполнены на монокристаллических образцах.

Итак, целью работы являлось:

исследовать первичные процессы взаимодействия быстрых нейтронов с веществом на примере некоторых модельных атомно-упорядоченных сплавов и соединений.

определить и подробно исследовать эффекты и - облучения в модельных сплавах и соединениях.

установить влияние радиационных эффектов на мартенситные превращения некоторых сплавов.

Новизна и практическая ценность работы. Автором получены следующие основные результаты, составляющие научную новизну работы:

1. Определены размеры послекаскадных областей, обусловленных торможением ПВА в относительно тяжелом упорядоченном сплаве, по данным намагниченности и обратной восприимчивости облученного интерметаллида Pt}Fe. Линейные размеры этих областей оказались почти одинаковы и составили 60А. Полученный факт находится в соответствии с физикой атомных столкновений в каскадах, распространяющихся в тяжелых металлах. В тяжелых металлах из-за коротких, по сравнению с длиной цепочек фокусированных замещений, пробегов ПВА именно фокусоны должны играть наибольшую роль при формировании объема разупорядоченной области. Поэтому размеры каскадной области слабо зависят от энергии ПВА.

1. Линейные размеры послекаскадной области в более легких сплавах получены нами нейтронографическим методом на примере монокристалла никелида титана частично разупорядоченного быстрыми нейтронами. Величина среднего линейного размера этой области в Ті^і_іи облученном Ф = Зх10^|9см"² при температуре 340К, составляет 70А.

3. Топологическая структура послекаскадных областей в соединениях, состоящих из элементов с существенно отличающимися порядковыми номерами, определена на примере суперпарамагнитного оксида ZnFe₂0^. Суперпарамагнитное состояние в образце достигалось воздействием флюенса быстрых нейтронов - 1х10¹⁹см"² при Г_о6л = 80К и 340К.Впервые нами показано, что послекаскадная область в оксидных соединениях не является единой, а состоит из отдельных субкаскадных областей. Выделим основные особенности оксидов переходных металлов, которые обусловили разбиение КАС в процессе торможения ПВА на отдельные субкаскадные области.

Во-первых, объемная плотность тяжелых катионов в оксиде относительно невелика. Именно этим обусловлен большой пробег ПВА в

кристалле и малые передачи энергии ПВА вторично выбитым атомам соответственно.

Во- вторых, в кристаллах данного класса отсутствуют ряды плотной упаковки тяжелых катионов. То есть вклад цепочек фокусированных столкновений катионов в формирование каскадной области (по отношению к ситуации в металлических сплавах) невелик.

4. Изучены эффекты атомного разупорядочения быстрыми нейтронами в
интерметаллиде монокристалла никелида титана и поликристаллическом
оксиде цинкового моноферрита. Сопоставление полученных нами результатов
эксперимента с известными литературными данными, свидетельствует о
различной эффективности быстрых нейтронов разупорядочивать атомно-
упорядоченные сплавы и соединения.

На примере монокристалла никелида титана нейтронографически показано, что кристаллические решетки исходной и атомно-неупорядоченной фаз в облученном кристалле когерентны.

5. Основные вопросы аморфизации твердых тел быстрыми нейтронами
также решены с помощью монокристалла никелида титана. При этом аморфное
состояние достигалось в сплаве либо воздействием высокого уровня облучения
быстрыми нейтронами при Г₀б_л = 340К, либо при криогенном облучении
относительно невысоким флюенсом.

Впервые установлено, что аморфные структуры облученных твердых тел относятся к классу структур дисторсионного типа (или другими словами типа смещения). Смещения атомов относительно положений в исходной кристаллической решетке обусловлены радиационными дефектами, которые различны в каждом конкретном веществе.

Определены два наиболее общих свойства аморфных структур данного класса: ближний атомный порядок в этих аморфных веществах соответствует ближнему порядку исходных фаз; степень совершенства исходного

монокристалла и облученного кристалла восстановленного отжигом из аморфного состояния одинакова.

6. Обнаружены процессы радиационно- стимулированного старения в
интерметаллиде никелида титана. Определены условия гамма-нейтронного
облучения, при которых выявляются эффекты данного класса .

1. Влияние структурно-разупорядоченных фаз на МП-я атомно-упорядоченных сплавов изучалось на примере интерметаллида никелида титана. Установлено пороговое значение концентрации структурно-разупорядоченной фазы, в облученном быстрыми нейтронами никелиде титана, выше которого остаточная кубическая фаза не испытывает МП. Эта критическая концентрация не так велика и составляет около 25% как в случае аморфной примесной фазы, так и в случае фазы с атомным беспорядком.

2. Научные положения и выводы, сделанные в диссертации, имеют практическое значение. Полученные сведения о первичных процессах взаимодействия быстрых нейтронов с веществом и о структурном состоянии радиационно-модифицированных модельных материалов можно использовать для интерпретации результатов по влиянию реакторного облучения на структуру и фазовые переходы сталей и соединений, применяемых (или являющихся кандидатными) в атомной промышленности.

В диссертации сформулированы и обоснованы научные положения и выводы, совокупность которых представляет собой новое научное направление в радиационной физике твердого тела - структурное разупорядочение быстрыми нейтронами атомно-упорядоченных конденсированных систем.

Основные положения, выносимые на защиту.
1. Результаты первичных процессов взаимодействия быстрых нейтронов с
атомно-упорядоченными сплавами и соединениями: размеры

послекаскадных областей в относительно тяжелом Pt₃Fe сплаве и более легком сплаве никелида титана; разбиение КАС на мелкие субкаскады в цинковом моноферрите, как следствие их химического состава -

комбинации легких анионов кислорода и относительно тяжелых катионов d-элементов.

2. Аморфизация монокристалла никелида титана быстрыми нейтронами. Дисторсионный тип аморфных структур облученных атомно-упорядоченных сплавов и соединений. Радиационные дефекты - физическая причина позиционного беспорядка в радиационно-модифицированных материалах данного класса.

3. Картина мартенситных превращений (МП) в облученном никелиде титана. Существование критической концентрации структурно-разупорядоченнои фазы, выше которой остаточная кубическая фаза в радиационно-модифицированном сплаве не испытывает МП.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

Всесоюзных рабочих совещаниях по использованию рассеяния нейтронов в физике твердого тела (Рига, октябрь 1985; Заречный, апрель 1987; Свердловск-Заречный, июнь 1989; Заречный, ноябрь 1991; Заречный, апрель 1993; Зеленогорск-Гаттчина, июнь 199І; Заречный, апрель 1997; Обнинск, сентябрь 1999).

Международных конференциях по мартенситным превращениям (Швейцария, Лозана, 1995). Интернациональный симпозиум пс материалам с памятью формы, Китай, Пекин, 1994. КУНИКОН-99, Москва, 1999).

Всесоюзных совещаниях по координации научно-исследовательских работ на ИЯР (Обнинск, октябрь 1976; Свердловск, июнь 1978; Ташкент, сентябрь 1980; Алма-Ата, сентябрь 1982; Томск, июнь 1984; Обнинск, июнь 1988).

- Уральских международных семинарах по радиационной физике металлої
и сплавов (І.Снежинск, Россия, 1995; 2. Снежинск, Россия, 1997; 3
Снежинск, Россия, 1999).

Франко-Русском семинаре по влиянию радиации на материалы, Париж. 1997.

- 19-ом симпозиуме по влиянию радиации на материалы, США, Сиэттл,
1998.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 печатных работ. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, в которых приведены оригинальные результаты, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 196 страниц, включая 78 рисунков, 18 таблиц, список цитируемой литературы, содержащий 100 наименований, и список авторских публикаций из 28 наименований.