Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время для модификации свойств материалов широко используются воздействия на вещество интенсивных потоков энергии (электронных, ионных и лазерных пучков) с плотностью мощности более 10 Втсм" [1].
Специфика пучковых воздействий связана с влиянием быстропеременных тепловых полей и достижением экстремально высоких скоростей деформации. Использование мощных потоков энергии перспективно для исследования фундаментальных свойств вещества, поскольку при быстром вводе энергии, формируются сильнонеравновесные состояния, также исследования в этой области вызывают интерес в направлении создания теоретических основ радиационных технологий.
Среди экспериментальных результатов, наблюдаемых при облучении, отметим увеличение прочности, износостойкости и коррозионной устойчивости материала, изменяется микрорельеф облучаемой поверхности, возможно как образование микрократеров [1], так и уменьшение шероховатости [2, 3].
Если закономерности формирования полей напряжений и структурных превращений в металлах при ударно-волновых явлениях изучены достаточно хорошо, то генерация полей напряжений и дефектов при пучковых воздействиях, особенно наносекундной длительности, изучены недостаточно полно. Интерес вызывает:
Теоретическое исследование закономерностей формирования полей напряжений в условиях облучения нано- и субнаносекундной длительности. Прямые экспериментальные измерения действующих в мишени напряжений вызывают принципиальные трудности.
Теоретическое исследование закономерностей формирования структурных дефектов в полях напряжений при облучении. Отдельный интерес представляет изучение модификации дефектной подструктуры кристалла в случае нано-и субнаносекундного облучения, поскольку в этом случае скорости деформации могут достигать величин ~10 с" .
В экспериментальных работах [2,3] показано, что в зависимости от параметров облучения на поверхности мишени может наблюдаться сглаживание микрорельефа. Причем
сглаживание происходит и при режимах, в которых мишень заведомо остается в твердотельном состоянии, поэтому интерес представляет исследование динамики микрорельефа поверхности под действием полей напряжений при облучении.
Большинство теоретических работ, посвященных вопросам динамики мишени при облучении, использует критерий идеальной пластичности - критерий Мизеса. При облучении мишени кратковременными импульсами конечное время развития пластической релаксации напряжений должно играть существенную роль, поэтому критерий Мизеса в этом случае является плохим приближением [4]. Исследование с единых позиций взаимно обусловленных процессов формирования полей напряжений, динамики мишени и формирования дислокационных структур при облучении заряженными частицами до настоящего времени не выполнялось. Необходимость понимания роли этих явлений в формировании свойств вещества при интенсивных импульсных нагружениях, а также потребность в оптимизации режимов обработки материалов с помощью радиационных технологий определяет актуальность данной работы.
Цель работы. Работа направлена на теоретическое исследование кинетики дислокационной подсистемы и ее роли в формировании пластического течения и свойств материала мишени при облучении интенсивными потоками заряженных частиц.
Задачи диссертационной работы.
1. Разработка метода описания динамики мишени при
импульсных воздействиях, учитывающего установление
пластического течения в материале на основе кинетики
дислокационной подсистемы.
Численное исследование закономерностей формирования полей напряжений в металлических мишенях при облучении ультракороткими электронными пучками.
Численное исследование динамики и конечного состояния дислокационной подсистемы мишени при облучении.
4. Разработка метода описания и исследование динамики
рельефа поверхности облучаемой мишени.
Методика исследования. Для описания упруго-
пластических течений материала мишени при облучении нами
используется дислокационная модель пластичности,
реализованная на континуальном уровне описания динамики среды. Модель учитывает динамику дислокаций, а также процессы генерации и аннигиляции дислокаций. Для описания воздействия частиц пучка на мишень решалось кинетическое уравнение для быстрых частиц в веществе мишени, при расчете переноса электронов учитывались упругие рассеяния, флуктуации потерь энергии в неупругих столкновениях и рождения вторичных электронов, для ионов пренебрегалось упругими рассеяниями. Разработанный метод и его программная реализация использовались при исследовании формирования полей напряжений и дислокаций в мишени при облучении.
Исследование сглаживания микрорельефа поверхности мишени при облучении проводилось в рамках уравнений теории упругости. В рамках теории возмущений аналитически была решена задача равновесия среды с периодически возмущенной поверхностью при наличии в приповерхностном слое температурного градиента.
Научная новизна и значимость результатов диссертационной работы состоит в изучении особенностей формирования полей напряжений в условиях неустановившегося пластического течения при интенсивном облучении; закономерностей и роли различных факторов в формировании распределения плотности дислокаций, ведущего к упрочнению мишени.
Основные положения, выносимые на защиту:
Метод моделирования упруго-пластических течений среды при воздействии интенсивных импульсных пучков заряженных частиц, учитывающий кинетику дислокаций с источником, основанным на энергетическом критерии, который связывает мощность рассеиваемой при движении дислокаций энергии с длиной дислокационных сегментов, образующихся в материале.
При режимах облучения без образования ударной волны структурные превращения в мишени обусловлены термоупругими напряжениями, ведущими к формированию
максимума плотности дислокаций вблизи поверхности мишени. В режимах облучения с образованием ударной волны генерируется дополнительный максимум плотности дислокаций в объеме мишени, порогом возникновения которого является превышение предела текучести сдвиговыми напряжениями на фронте волны.
3. Плотность дислокаций в мишени немонотонно зависит от
плотности вложенной энергии. Рост плотности энергии пучка в
режимах, не вызывающих ударной волны, сначала
сопровождается повышением плотности дислокаций в силу
увеличения сдвиговых напряжений, сконцентрированных вблизи
поверхности, в дальнейшем увеличение плотности энергии пучка
вызывает снижение плотности дислокаций вблизи поверхности
вследствие ускоренной аннигиляции дислокаций при
повышенных температурах, а также отжига дислокаций при
плавлении. Дальнейшее повышение плотности энергии,
сопровождается переходом к режиму с возбуждением ударной
волны, при этом наблюдается быстрый рост плотности
дислокаций, как в приповерхностном слое, так и в глубине
мишени, связанный с интенсивной генерацией дефектов ударной
волной.
При облучении субнаносекундными импульсами скорости деформации в мишени достигают величин 10 с . В силу инерционности пластической релаксации при таких воздействиях в мишени формируются сдвиговые напряжения, превосходящие на порядок величину предела текучести, наблюдаемого в условиях квазистатического деформирования. Уменьшение времени облучения при постоянной плотности энергии пучка ведет к более эффективной генерации дислокаций, связанной с ростом величины сдвиговых напряжений, реализуемых в мишени.
Сглаживание микрорельефа поверхности мишени объясняется совместным действием твердо- и жидкофазного механизмов. Сглаживание микрорельефа в твердофазном состоянии связано с конечным временем развития пластической релаксации напряжений, в течение которого материал мишени испытывает упругие деформации, ведущие к уменьшению амплитуды исходных возмущений.
Личный вклад автора. Развитие дислокационной модели пластичности для описания динамики мишени при интенсивных нагружениях (ударном и воздействие пучков заряженных частиц). Разработка программного комплекса, реализующего указанную модель. Численные исследования распространения волн напряжений и структурных превращений в мишени при ударном нагружении и облучении. Разработка физической модели сглаживания микрорельефа поверхности в твердотельном режиме, ее математическая реализация и проведение расчетов. Анализ полученных результатов и изложение их в статьях.
Практическая ценность результатов работы заключается в возможности использования разработанных моделей и программ для прогнозирования результатов воздействия мощных потоков излучения на металлические мишени и решения задач по модификации материалов.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на: конференции «9-th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows» (Томск, 2008), XVI Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2009), конференции «XXIV International Conference Interaction of Intensive Energy Fluxes with Matter» (Эльбрус, 2009), XIV Международной конференции "Радиационная физика и химия неорганических материалов» (Астана, Казахстан, 2009), 10-ой Международной конференции «Забабахинские научные чтения» (Снежинск, 2010), конференции «XXV International Conference Interaction of Intensive Energy Fluxes with Matter» (Эльбрус, 2010), конференции «10-th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows» (Томск, 2010), конференции «16-th Intenational Symposium on High Current Electronics» (Томск, 2010).
По теме диссертации опубликованы 3 статьи в центральной печати, 9 статей в сборниках трудов всероссийских и международных конференций.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, изложена на 140 страницах, содержит 46 иллюстраций, библиографический список состоит из 119 ссылок.
