Влияние дальнодействия на диффузионные процессы в неравновесных конденсированных средах Савотченко, Сергей Евгеньевич

Введение к работе

Актуальность темы.

Исследование нелинейных процессов, в том числе диффузии, в конденсированных средах имеет фундаментальное значение для развития современной физики и находит широкое применение во многих прикладных областях науки.

Для аналитического описания многообразия свойств реальных кристаллов и жидкостей линейного приближения, очевидно, недостаточно, поэтому в работе используются в первую очередь нелинейные модели. При таком подходе используются нелинейные уравнения, описывающие закономерности диффузии дефектов в кристаллах, а в реакционных системах - диффузии компонентов смеси. Необходимость использования нелинейных уравнений неизбежно возникает вследствие учета взаимосвязей компонентов системы.

Интересные особенности поведения демонстрируют неравновесные (открытые и замкнутые) системы. В материалах такая ситуация реализуется при облучении, а в реакционных системах - при наличии сильной неоднородности диффузионных потоков. И то и другое связано с наличием дальнодействующих факторов, в качестве которых в металлах могут выступать корреляционные взаимодействия ансамблей дефектов, а в реакционных системах - неидеальность межмолекулярного взаимодействия и неоднородность фаз, проявляющиеся в эволюционных уравнениях, содержащих градиенты высших порядков.

Общность этих эффектов состоит в том, что они приводят к неоднородности диффузии в рассматриваемой неидеальной системе. Под неоднородностью диффузии понимается диффузия, подчиняющаяся модифицированному закону Фика, когда становятся ощутимыми вклады от градиентов старших порядков, обусловленные дальнодействующими взаимосвязями в системе.

В связи с этим, следует заметить, что учет вкладов градиентов высших порядков, отражающих наличие дальнодействующих сил в системе, связан с актуальной проблемой учета реальных взаимодействий в реальных конденсированных системах. Данная проблема рассматривалась, например, в работах академика Н.Н.Боголюбова и его учеников. Ими был развит подход, основанный на кинетических уравнениях для многочастичных функций распределения, описывающих системы с учетом дальнодействующих сил и подчиняющихся принципу ослабления корреляций. В данной диссертационной работе развивается иной подход к учету дальнодействующих корреляционных эффектов, который приводит к необходимости введения в эволюционные уравнения пространственных градиентов старших порядков.

Одним из актуальных направлений исследований является изучение с учетом нелинейности различных явлений, связанных с радиационными эффектами в материалах, поскольку под воздействием облучения происходит изменение структуры вещества, возникают различные неравновесные взаимодействующие радиационные дефекты и их комплексы [1]. Выявление физических закономерностей различных радиационных эффектов, в частности, радиационного охрупчивания и упрочнения, динамики ансамблей дефектов, обусловленной неоднородностью диффузионных потоков самих дефектов и их взаимодействием [2,3], важно для интенсивного развития ядерной энергетики, которая составляет значительную долю всей электроэнергии, вырабатываемой в России, в связи с особыми требованиями, предъявляемыми к реакторным конструкционным материалам в условиях эксплуатации (конструкционные стали реакторов ИТЭР, ВВЭР-440 и др.). Прогнозирование свойств таких материалов особенно эффективно при использовании подхода, при котором облученный материал рассматривается как открытая диссипативная система.

Облучение оказывает существенное влияние не только на физико-механические характеристики массивных образцов, но и на свойства тонких металлических пленок и покрытий [4,5], обусловленные происходящими в них диффузионными процессами. Построение физических моделей процессов формирования пленок и кинетики дефектов кристаллической структуры на основе диффузионных уравнений, в том числе и нелинейных, является актуальной проблемой физики конденсированного состояния. В частности, важную роль играют исследования закономерностей роста тонких пленок и эволюции их микроструктуры, проводимые в целях разработки новых технологий создания наноструктурных покрытий с заданными физическими характеристиками.

Тонкие металлические покрытия могут существенно менять свойства образцов. В частности, под влиянием диффузии примесей из покрытия могут происходить субструктурные изменения поликристаллических материалов, которые называют активированной рекристаллизацией [6]. Диффузионные процессы зачастую играют решающую роль в реализации уникальных механических свойств материалов, таких как высокие показатели сверхпластичности, фазовые превращения, процессы формирования, деградации и возврата структуры материалов. В связи с этим, становятся актуальными исследования закономерностей рекристаллизации, обусловленной диффузией примесей из покрытия.

При теоретическом исследовании эволюции ансамблей дефектов в облученных материалах используются нелинейные уравнения диффузионной кинетики [3,4], возникшие изначально при моделировании процессов, происходящих в химических реакциях [7]. Поэтому часто отмечаются аналогии между такими явлениями. Результаты изучения закономерностей динамики таких систем и выявления новых особенностей процессов формирования диссипативных структур, режимов устойчивости стационарных состояний находят широкое применение в химической технологии. В связи с этим становятся актуальными исследования диффузионных явлений в жидкофазных реакционных системах.

Все множество разнообразных вышеупомянутых процессов объединяет одно важное обстоятельство: они, в общем, обусловлены эволюцией объектов с учетом их взаимосвязей. В связи с этим, актуальность построения общих подходов к исследованию и моделей широкого круга такого рода явлений, происходящих в конкретных макроскопических системах, на основе нелинейных эволюционных уравнений, и обусловила тематику данной работы.

На основе предлагаемого комплексного подхода, использующего эмпирические данные, феноменологические модели и эволюционные уравнения, в работе исследованы диффузионные, нелинейные явления в различных по физической природе системах, таких как облученные материалы, тонкие металлические пленки и покрытия, реакционные системы.

Цель работы.

Основной целью диссертационной работы является установление новых закономерностей процессов, происходящих в различных неоднородных и неравновесных конденсированных средах и обусловленных дальнодействующими взаимосвязями в рамках единого подхода, использующего нелинейные эволюционные уравнения.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были сформулированы следующие основные задачи.

1. Установление закономерностей поведения прочностных характеристик материалов, подвергающихся воздействию деформации и облучения в широком интервале температур при учете дальнодействующих сил взаимодействия дефектов, на основе экспериментальных исследований, методов математического моделирования и синергетического подхода.

2. Построение новых моделей и установление закономерностей диффузионного роста тонких металлических пленок, кинетики точечных дефектов в пленках, влияния облучения на их микроструктуру.

3. Формулировка новых моделей движения фронта активированной диффузией рекристаллизации и аналитическое описание закономерностей поведения ее скорости и распределения концентрации диффузанта, позволяющих использовать эмпирические (измеряемые) параметры поликристаллов.

4. Выявление новых особенностей динамики компонентов жидкой смеси веществ, обусловленных влиянием неоднородности диффузионных потоков и неидеальностью системы, а также коллективных возбуждений в молекулярных системах на основе нелинейных диффузионных и нелинейных уравнений, учитывающих дальнодействующие связи.

Научная новизна работы.

4. 1. На основе теории дислокационной кинетики сформулирована новая модель эволюции ансамбля движущихся дислокаций в облученном материале. В модели учтены дальнодействующие корреляционные силы взаимодействия дислокаций в ансамбле, обуславливающие неоднородные диффузионные потоки в случае большой плотности дислокаций в облученном материале. Получено нелинейное уравнение дисперсионно-диссипативного типа с пространственными градиентами четвертого порядка, для которого найдено точное решение. На его основе показано, что динамика полосы локализованной деформации зависит от отношения коэффициента диффузии дислокаций к их подвижности, определяемого температурой и дозой облучения.

   2. Обнаружены особые дислокационные структуры в сложнолегированном сплаве циркония Э-635, облученном нейтронами. Предложена новая модель, объясняющая формирование такого рода структур. Показано, что определяющим фактором, влияющим на самоорганизацию дефектной структуры в облученном сплаве, является неоднородность диффузионных потоков дефектов. Из сформулированной системы нелинейных уравнений диффузионного типа получены в аналитическом виде выражения, описывающие динамику такой структуры, период которой зависит от условий облучения.

   3. Установлено, что радиационное охрупчивание определяется эволюцией дальнодействующих атермических напряжений. Впервые проведено аналитическое описание закономерностей изменения предела текучести облученных материалов в зависимости от температуры с позиции структурного перехода с одного уровня пластической деформации на другой. Выявлены закономерности влияния интенсивности процессов кластеризации и рекомбинации вакансионных и межузельных барьеров на поведение зависимости прироста предела текучести от дозы облучения.

   4. Предложена модель начальной стадии роста тонких металлических пленок при облучении потоком атомов, с учетом их взаимодействия с приповерхностными вакансиями, распределенными случайно. Установлено, что корреляции флуктуаций вакансий сглаживают профиль распределения средней плотности вакансий по глубине пленки. Выявлены закономерности эволюции плотности адатомов, и показано, что она возрастает при увеличении интенсивности облучения и при уменьшении температуры.

   5. Предложена новая статистическая модель, описывающая распределение кристаллитов по размерам в облученных ионами гелия тонких пленках серебра. Установлено, что размеры кристаллитов подчиняются бимодальному закону, параметры которого определены эмпирически. Определены закономерности зависимости среднего размера кристаллитов в облученной пленке в зависимости от температуры испытания. Предложен новый параметр для оценки среднего размера кристаллитов на основе бимодального распределения.

   6. Сформулированы новые модели движения фронта рекристаллизации, происходящей под влиянием диффузии примесей из тонкого металлического покрытия. Впервые показано, что коэффициент пропорциональности в условии скачка градиента зернограничной концентрации в зоне фронта рекристаллизации определяется эмпирическими структурными параметрами поликристалла. Аналитически описаны кинетические закономерности движения фронта рекристаллизации молибдена, активированной зернограничной диффузией примесей никеля из покрытия. Впервые получена аналитическая зависимость движения фронта, определяемая структурными эмпирическими параметрами образца. В частности, впервые показано, что чем меньше размеры рекристализованных зерен, тем глубже может происходить рекристаллизация.

   7. Проведено обобщение модели Шлегля и впервые установлено, что в такой диффузионно-реакционной системе могут существовать новые типы пространственных структур, обусловленные неидеальностью модели жидкой фазы и неоднородностью диффузионных потоков. Проведено аналитическое описание механизмов формирования концентрационных волн на основе нового эволюционного нелинейного уравнения дисперсионно-диссипативного типа, учитывающего модификацию закона Фика. Впервые проведено аналитическое доказательство того, что неидеальность диффузионных процессов приводит к возможности выполнения необходимого условия существования диссипативных структур в двухкомпонентных системах с мономолекулярными и бимолекулярными механизмами реакций.

   8. Установлено, что в низкоразмерных молекулярных системах при учете взаимодействия не только ближайших соседей в длинноволновом приближении возникают нелинейные возбуждения новых типов. Получены в аналитическом виде решения сформулированных нелинейных уравнений, описывающие распространение локальной плотности заряда и локализованной деформации вдоль молекулярных цепочек.

   Научная и практическая значимость работы.

   Проведенные в данной работе исследования, касающиеся проблем динамики ансамблей радиационно-индуцированных дефектов, способствуют формированию адекватных физических представлений о свойствах деформируемого облученного материала в разнообразных условиях испытания. Результаты работы могут найти применение в технологиях разработки конструкционных материалов с заданными механическими свойствами, а также позволят прогнозировать работоспособность деталей и узлов ядерных энергетических установок. Среди исследованных в работе материалов можно выделить стали 0Х18Н10Т, 15Х2МФА, 316, важные с практической точки зрения и являющиеся составной частью внутрикорпусных устройств ядерных реакторов, в том числе в проекте ИТЭР.

   Развитое в диссертации описание процессов формирования дислокационных структур в облученных деформируемых материалах на основе эволюционных уравнений позволило предложить новый подход к механизмам контролирования эффектов радиационного упрочнения и охрупчивания. Использование концепции самоорганизации ансамблей радиационно-индуцированных дефектов дало возможность с единой общефизической точки зрения описать множество эффектов, связанных с физикой радиационных явлений в облученных деформируемых материалах.

   Исследования влияния облучения на морфологию поверхности и микроструктурные изменения тонких пленок серебра, а также кинетики формирования тонких пленок могут найти применение в отраслях материаловедения, связанных с разработкой покрытий специального назначения.

   Результаты, относящиеся к нелинейной динамике в реакционно-диффузионных системах, могут быть использованы для совершенствования химических технологий.

   Полученные в работе результаты могут быть использованы для развития теории диффузии и новых математических моделей диффузионных процессов, а также для расширения представлений о:

   1. механизмах радиационного воздействия на рост и микроструктуру тонких пленок,

   2. влиянии дальнодействующих сил взаимодействия дислокаций в кристаллах,

   3. влиянии дальнодействующих межмолекулярных сил в реакционных системах.

   Положения, выносимые на защиту.

   3. 9. Дальнодействующие корреляционные силы при больших плотностях дислокаций в облученном деформируемом металле модифицируют закон Фика, что приводит к нелинейным уравнениям с градиентами старших порядков, описывающим различные дефектные структуры. В частности, эволюция полосы локализованной деформации зависит от температуры и дозы облучения. В облученном сплаве описаны периодические дислокационные структуры, формирование которых обусловлено наличием дальнодействующих напряжений взаимодействующих дислокаций и вакансий в ансамбле.

      10. В облученных металлах и сплавах радиационное охрупчивание связано с атермической компонентой напряжения течения, которое обусловлено эволюцией

      U U T-V U U U

      дальнодействующих сил торможения дислокаций. В рамках новой нелинейной модели описано влияние температуры на предел текучести облученных материалов. Величина насыщения прироста предела текучести уменьшается с ростом интенсивности взаимодействия радиационно-индуцированных дефектов.

      3. 11. В рамках модели эволюции структуры тонких пленок при облучении выявлены закономерности формирования кристаллитов, средние размеры которых увеличиваются с ростом температуры и подчиняются бимодальному закону распределения. Аналитически показано, что облучение ионами гелия пленок серебра приводит к вымиранию ГПУ-структуры и выживанию ГЦК-структуры.

         12. Закономерности движения фронта рекристаллизации поликристаллических материалов, активированной диффузией примесей из покрытия, обусловлены структурными факторами поликристалла. Аналитически показано, что закон движения фронта рекристаллизации согласуется с известными экспериментальными данными на примере системы Mo-Ni, а также, что увеличение глубины рекристаллизованного слоя происходит в областях с меньшими средними размерами зерен.

         5. Обобщение модели реакционно-диффузионных систем, учитывающее модификацию межмолекулярных взаимодействий и закона Фика, приводит к формированию новых типов пространственно-неоднородных структур. В системах с моно- и бимолекулярными механизмами реакций модификация закона Фика позволила сформулировать условия возникновения диссипативных структур. Учет дальнодействующих сил в квазиодномерных молекулярных системах обуславливает появление новых типов возбуждений локальной деформации.

         Апробация работы.

         Результаты, полученные в диссертации, докладывались на следующих конференциях: 8-ой, 9-ой Конференциях стран СНГ «Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов» (Россия, Белгород, 1999, 2001); Международных конференциях «Оптика, оптоэлектроника и технологии», VIII «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии, и микросистемы» (Россия, Ульяновск, 2002, 2006); 7-ой, 8-ой Международных конференциях им. В.А Фока по квантовой и вычислительной химии (Россия, Новгород, 2003, 2004); XIII, XIV, XV, XVI XVII, XVIII, XIX, XX Международных совещаниях «Радиационная физика твердого тела» (Украина, Севастополь, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010); V, VI Международных научных конференциях «Взаимодействие излучений с твердым телом» (Белоруссия, Минск, 2003, 2005); Международных школах-семинарах «Современные проблемы механики и прикладной математики» (Россия, Воронеж, 2004, 2005); 11-th International Conference on Phonons Scattering in Condensed Matter (Russia, St. Petersburg, 2004); III, IV, V Международных конференциях «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Россия, Черноголовка, 2004, 2006, 2008); XVI-th International Conference on Physics of Radiation Phenomena (Ukraine, Alushta,

         3. 12. 1. ; XV, XVI, XVII, XVIII, XIX Петербургских чтениях по проблемам прочности (Россия, Санкт-Петербург, 2005, 2006, 2007, 2008, 2010); VI Международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (Россия, Воронеж, 2005); Научном семинаре «Физика радиационных повреждений материалов атомной техники» (Россия, Обнинск, 2005); Международной школы молодых ученых по ядерной физике и энергетике (Украина, Алушта, 2005); 44-ой, 45-ой, 47-ой, 49-ой Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Россия, Вологда, 2005 Белгород, 2006, Н.Новгород, 2008, Киев 2010); III Российской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (Россия, Екатеринбург, 2005); Международная школа- конференция молодых ученых «Физика и химия наноматериалов» (Россия, Томск,

                2. ; Международной молодежной научной конференции «XXXII Гагаринские чтения» (Россия, Москва, 2006); III, IV, V, VI Международных семинарах «Физико- математическое моделирование систем» (Россия, Воронеж, 2006, 2007, 2008, 2009); XVI Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Россия, Самара, 2006); Российской школе-конференции молодых ученых «Биосовместимые наноструктурные материалы и покрытия медицинского назначения» (Россия, Белгород, 2006); IV, V Международных конференциях «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Россия, Тамбов, 2007, 2010); 8-й Всероссийской конференции «Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем» (Россия, Белгород, 2008); 1-ых Московских чтениях по проблемам прочности материалов (Россия, Москва, 2009).

                Связь работы с научными программа и темами.

                Работа выполнялась в соответствии с планами научных программ и грантов: «Особенности формирования пространственных неоднородностей в деформируемых облученных материалах, происходящих при коллективном движении дислокаций» (A-9 VZ-010-0 US CRDF), «Нелокальные эффекты в нелинейной динамике распределенных и неравновесных систем» (БелГУ, ВКГ-035-05), «Математическое моделирование динамики дефектов и роста тонких металлических пленок и нанокластеров под облучением» (БелГУ, ВКГ-027-06), «Моделирование и исследование закономерностей структурной эволюции жаропрочных металлов и сплавов на никелевой основе» (БелГУ ВКГ 201-08), «Исследования эффектов, связанных с явлением динамического хаоса при прохождении частиц большой энергии через кристалл» (РФФИ №03-02-16263а), «Статистическая механика и самоорганизация в конденсированных средах» (РФФИ №05-02-16663а), «Исследование механики конденсированных сред с внутренней структурой» (РФФИ № 09-01-00086a), госконтракты №02.438.11.7007, №02.444.11.7340, №02.514.11.4010.

                Публикации по теме диссертации.

                Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 76 научных работах, основные из которых [1a-26a]. Имеются 4 работы, выполненные без соавторов.

                Личный вклад соискателя.

                Все научные результаты, изложенные в диссертации, получены лично соискателем или при его непосредственном участии.

                Структура и объем диссертации.

                Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка из 338 наименований. Работа изложена на 285 страницах, включает 70 рисунков и 8 таблиц.

                Похожие диссертации на Влияние дальнодействия на диффузионные процессы в неравновесных конденсированных средах

                

                Влияние примесей воздушной среды на диффузионные процессы и адгезию в системе металлический конденсат/кристалл галогенида Столярова Сара Вольфовна

                Исследование влияния процессов переноса энергии электронного возбуждения на люминесцентные и генерационные свойства активных средТумаев, Евгений Николаевич

                

                Диссипативные процессы в оптических средах на основе легированных кристаллов (Li,Na)F различной размерностиКоролева Татьяна Станиславна

                

                Нелинейные и релаксационные колебательные процессы в магнитоупорядоченных средахАсадуллин Фанур Фаритович

                Пространственно-временные и спектральные характеристики нестационарных волновых процессов в неоднородных конденсированных средахШтыгашев, Александр Анатольевич

                Точные результаты в теории процессов переноса в неоднородных средахАрхинчев, Валерий Ефимович

                

                Изучение процесса изнашивания конструкционных сталей в среде жидкой смазки с добавками нанопорошков пластичных металловБеляев Сергей Александрович

                

                Физические процессы, протекающие при сжигании порошка титана в среде азота, и разработка на их основе технологии вакуумированияЛысенко Андрей Леонидович

                Математическое моделирование процессов пластической деформации скольжения и эволюции дефектной среды в ГЦК материалахКолупаева Светлана Николаевна

                

                Методики и приборы рентгеновской и флуоресцентной спектроскопии для исследования быстропротекающих процессов в горячей плазме, конденсированных и гетерогенных средахТокарев, Владимир Анатольевич