Наноструктурирование металлических материалов интенсивными ионными пучками
Скачать 244.76 Kb.
|
На правах рукописи Богданов Николай Юрьевич Наноструктурирование металлических материалов интенсивными ионными пучками Специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Обнинск – 2008 Диссертация выполнена на кафедре материаловедения Обнинского государственного технического университета атомной энергетики (ОИАТЭ) Научый руководитель - доктор физико-математических наук, профессор Хмелевская Вита Сергеевна Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук, Плаксин Олег Анатольевич кандидат физико-математических наук Сивак Александр Борисович Ведущая организация: Государственный технологический университет «Московский институт стали и сплавов» Защита состоится «19» ноября 2008г. в 14 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.141.17 при Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 248600, Калуга, ул. Баженова, 2, МГТУ им Н.Э. Баумана, Калужский филиал Факс: (48439) 70822, e-mail: khmel@iate.obninsk.ru С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им Н.Э. Баумана, Калужский филиал (г. Калуга, ул. Баженова, 2) Автореферат разослан « » 2008г. Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент С. А. Лоскутов ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Облучение металлических материалов существенно изменяет их структуру и свойства. При радиационном воздействии вещество оказывается насыщенным дефектами, кроме того, в нем могут происходить фазовые превращения, ускоренные облучением или радиационно-индуцированные, т.е. такие, которые не могут быть реализованы при других видах воздействия на материал, в том числе, при термической обработке. При этом, как правило, существенно изменяются свойства вещества, относящиеся как к ионной, так и к электронной подсистемам металла. Ранее было обнаружено, что при воздействии на металлические материалы – сплавы систем Fe-Cr-Ni, Ni-Cr, Cu-Ni, Fe-Cr,V-Cr-Ti и чистые металлы Ti и Zr – ионных пучков высокой интенсивности в ускорителях или плазменных установках в некоторой области радиационных параметров – доз, температур мишени и плотностей ионного потока – формируется особое состояние вещества, обладающее необычными структурой и свойствами. Дальнейшие исследования позволили установить, что данное радиационно-индуцированное состояние имеет нанокластерную морфологию и характеризуется аномально большим изменением свойств материала. Была предложена модель, в которой предполагается, что малые кластеры образуются в окрестности радиационных точечных дефектов и состоят из собственных атомов, однако могут иметь кристаллографическую симметрию, отличающуюся от матрицы. Эти кластеры армируют матрицу и, как следствие, формируется кластерный композит. Формирование нанокластерной морфологии, как было установлено, сопровождается существенными изменениями формы рентгендифракционных линий, что может служить тестовым признаком появления кластерного композита и методически удобным способом регистрации области его существования на шкале радиационных параметров. Понимание природы и причины возникновения кластерного композита и принципов формирования подобных радиационно-индуцированных состояний может быть основой развития новых технологий радиационного модифицирования материалов. Основная цель работы состоит в определении условий формирования радиационно-индуцированных нанокластерных состояний в различных металлических материалах – твердых растворах Ni-Cr, Fe-Cr-Ni, Fe-Cr и интерметаллидах (сплавах Гейслера), получение кинетических и энергетических характеристик эффекта наноструктурирования металлических материалов интенсивными ионными пучками. Научная новизна полученных в работе результатов заключена в следующем: – в сплавах системы Ni-Cr и фазах Гейслера с принципиально различными кристаллическими структурами и симметрией определены области радиационных параметров возникновения кластерного композитов с существенным изменением механических и магнитных свойств; – экспериментально определены энергетические параметры устойчивости радиационно-индуцированных кластерных композитов, необходимые для разработки модельных представлений формирования особых радиационно-индуцированных состояний; – показано, что особые радиационно-индуцированные состояния возникают при достижении определенных значений стационарных концентраций радиационных дефектов, связанных с характерным масштабом нанокластерной структуры. Практическая ценность работы определяется возможностью разработки новых технологий радиационного модифицирования материалов на основе целенаправленного формирования кластерных композитов в различных материалах. Показано, что на основе возникновения кластерного композита возможно аномально большое упрочнение металлических сплавов свыше 10 ГПа; в сплавах Гейслера можно получить намагниченность, в несколько раз превосходящую величины, получаемые при любой термообработке данных материалов. Достоверность положений и выводов диссертационной работы определяется использованием представительного набора экспериментальных методов исследования материалов, таких как рентгеновская дифрактометрия, измерение микротвёрдости, металлографический анализ, измерение магнитных свойств материалов. Положения и выводы диссертации находятся в соответствии с современными представлениями физики конденсированного состояния. Личный вклад автора. Автор лично участвовал в планировании и проведении экспериментов, обработке экспериментальных данных. Им лично были получены результаты по свойствам сплавов Ni-Cr и фазам Гейслера после ионного облучения, энергетические характеристики нанокластерных структур. Основные результаты, выносимые на защиту:
Апробация работы: Полученные результаты были представлены на следующих конференциях и семинарах: Шестая международная студенческая научная конференция «Полярное сияние – 2003» Санкт – Петербург; Международный научно-практический семинар «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий » Обнинск. 2003, 2005, 2007; Седьмой Международный Уральский Семинар, Снежинск- 2007; Семинар «Теория и многоуровневое моделирование дефектов, явлений и свойств материалов ядерной техники - ТММ-2008», Москва, 2008; Семинар «Физика радиационных повреждений материалов атомной техники», Обнинск, 2008. Публикации. Основные результаты работы отражены в 4 статьях, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК, и 6 тезисах Международных и Всероссийских конференций. Список работ приведён в конце автореферата. Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, основных выводов. Общий объём работы составляет 102 страницы, в том числе 3 таблицы, 23 рисунка и список использованных источников из 102 наименований. Основное содержание работы Во введении диссертации даётся краткая характеристика современного состояния изучаемой проблемы, её актуальность в свете развития технологий, оперирующих объектами с размерами порядка 10-9 м. Обоснованы новизна, научная и практическая значимость работы, изложены основные полученные результаты, обоснована их достоверность, сформулирована цель исследования и научные положения, выносимые на защиту. В первой главе, являющейся обзорной, описывается термодинамика и кинетика образования особых радиационно-индуцированных состояний, появляющихся в узком интервале радиационных параметров в металлических материалах при облучении интенсивными ионными пучками с применением различных типов ионов, как газовых, так и металлических. Наблюдается сходство получаемых состояний в различных металлических материалах, в частности, в сплавах с ГЦК структурой, ОЦК структурой, некоторых чистых металлах с ГПУ структурой. Наиболее характерным признаком радиационно-индуцированных структур является нанокластерная морфология. Данные просвечивающей электронной микроскопии показывают, что материал в радиационно-повреждённом слое содержит кластеры размером несколько нанометров, занимающие значительную (порядка 40%) часть объема. Было сделано предположение, что кластеры состоят из собственных атомов матрицы, но обладают отличной от матрицы симметрией. Таким образом, в приповерхностных слоях облученных материалов формируется кластерный композит. Это приводит к существенному изменению свойств материала, относящихся как к ионной, так и к электронной подсистемам металла. Описаны особенности структуры и фазовых переходов в материалах, использованных далее в работе – в сплавах систем Fe-Cr-Ni, Fe-Cr, Ni-Cr, а также в интерметаллидах – фазах Гейслера Cu-Mn-Al и Ni-Mn-Ga. Сплав системы Fe-Cr-Ni представляет собой сталь аустенитного класса Fe 18Cr 10Ni Ti с ГЦК – решеткой. Высокая коррозионная стойкость, немагнитность, вязкость в условиях криогенных температур, технологичность при изготовлении деталей, хорошие механические свойства - всё это обуславливает широкое применение аустенитных сталей системы Fe-Cr-Ni. Широкое применение находят стали аустенитного класса также для конструкций и деталей, работающих в радиационном поле – в ядерной и термоядерной технике. Поэтому исследование явлений, возникающих при их взаимодействии с облучением, представляет существенный интерес. Аустенитные стали были первым материалом, в которых при интенсивном ионном облучении было обнаружено особое радиационно-индуцированное состояние – кластерный композит. Описаны электронномикроскопически зарегистрированные структуры с нанокластерной морфологией, а также соответствующие рентгендифракционные эффекты расщепления линий – в поликристаллических и монокристаллических образцах. Максимальному значению расщепления дифракционных линий соответствовал максимум радиационно-индуцированного упрочнения. При облучении ионами разного типа температурный диапазон существования особого изменённого состояния несколько сдвигался (400-4500С при облучении ионами Ar+ и Ni+ с энергией 40 кэВ, 6250С при облучении ионами Ar+ с энергией 1 МэВ). С помощью просвечивающей электронной микроскопии показано, что в состоянии, соответствующем максимальному расщеплению рентгеновских дифракционных линий, обнаружены признаки пространственно организованных структур на различных масштабных уровнях. Кроме того, по данным просвечивающей электронной микроскопии, материал имеет в облученном слое множество кластеров. Сплав системы Fe-Cr представляет собой сталь ферритно-мартенситного класса Fe-12Cr-Si-Mo-W-V-Nb-B с ОЦК – решеткой. Сплавы системы Fe-Cr имеют широкое распространение в технике – при обработке материалов давлением, изготовлении медицинских инструментов, в автомобильной промышленности и многих других областях. Значительный интерес в настоящее время проявляется к данным сплавам в ядерной технике, поскольку они обладают рядом преимуществ по сравнению с широко применяемыми аустенитными сталями (отсутствие вакансионного распухания, что чрезвычайно важно для техники реакторов на быстрых нейтронах и термоядерных реакторов). Однако многие особенности работы сплавов данной системы в радиационном поле остаются непонятыми. Для сплавов Fe-Cr важнейшей особенностью является их склонность к упрочнению и охрупчиванию. В значительной степени эти их свойства связаны с фазовыми переходами, присущими данной системе. Считается, что изменение свойств обусловлено двумя процессами. Первый проявляется при высоких температурах (600-8000С) и представляет собой образование σ-фазы, происходящее при концентрации Cr 45-50%. Эта чрезвычайно твёрдая интерметаллидная фаза имеет сложную решетку и преимущественно неметаллический характер химической связи. Второй процесс – это превращение, происходящее при более низких температурах – спинодальное расслоение твердого раствора и выделение при температурах 4500С-5500С когерентно связанной с решеткой α`- фазы, при этом формируются области, обогащенные хромом до 82%. Выделение карбидных, нитридных или силицидных фаз в начальной стадии спинодального расслоения ускоряют его протекание. Поведение сплавов системы Fe-Cr под облучением имеет ряд существенных особенностей, природа которых не полностью выяснена, несмотря на многочисленные исследования. Сильное упрочнение и охрупчивание этих материалов в радиационном поле затрудняют их применение, поэтому выяснение природы происходящих превращений представляет существенный интерес. Имеются данные о том, что при облучении 12% - хромистых сталей, применяемых в радиационной технике, также может происходить выделение α`- фазы, хотя область образования данной фазы на диаграмме состояния соответствует значительно более высоким концентрациям хрома. Одно из возможных объяснений этого явления – образование радиационно-индуцированных сегрегаций вблизи стоков точечных дефектов, которое приводит к перераспределению легирующих элементов между стоками и матрицей. Предполагается, что при облучении происходит обеднение твёрдого раствора хромом вблизи стоков, вследствие этого происходит обогащение хромом остальной матрицы, происходит распад твёрдого раствора и выделение α`- фазы. Однако возможно и другое объяснение происходящим в сплаве превращениям. Несмотря на некоторые отличия, заметно подобие данного процесса неравновесным радиационно-индуцированным состояниям в ГЦК структуре, описанным в предыдущем разделе. В сплавах системы Fe-Cr в некотором диапазоне радиационных параметров наблюдаются специфические дифракционные изменения. В отличие от Fe-Cr-Ni сплавов с ГЦК структурой здесь не наблюдается четкого расщепления линий, рентгеновский пик только изменяет свою форму, она становится треугольной, по-видимому, в результате суперпозиции плавного максимума диффузного фона и селективной рентгеновской линии. Одновременно до очень больших значений увеличивается микротвердость (более 10 ГПа). Такие высокие значения микротвердости нельзя приписать упрочнению за счет какого-либо дислокационного механизма, поэтому возникла идея об изменении состояния электронной подсистемы. Эта идея получила подтверждение в экспериментах по термической зависимости термо-ЭДС, из которых был получен абсолютный коэффициент термо-ЭДС. Было обнаружено, что радиационно-индуцированное упрочнение совпадает с сильным изменением абсолютного коэффициента термо-ЭДС в области кластерного композита. Это означает, что состояние электронной подсистемы материала при этом изменяется. Данное состояние является метастабильным и разрушается в процессе пострадиационного отжига. Сплавы системы Ni-Cr, исследованные в работе, имеют ГЦК – решетку на основе решетки никеля и представляют собой твёрдый раствор замещения хрома в никеле. Сплавы системы Ni-Cr являются основой многочисленных материалов, широко используемых в промышленности благодаря своим коррозионным и физико-механическим свойствам. В некотором концентрационном интервале они также весьма перспективны для работы в радиационном поле. Закономерности поведения материалов в реакторе определяются эволюцией дефектной структуры, которая зависит от исходного состояния. Известно, что дислокационная структура, дисперсные выделения частиц и предвыделения влияют на рекомбинацию и гибель на стоках точечных дефектов и изменяют темп накопления радиационных повреждений. При этом улучшается пластичность и снижается степень низкотемпературного радиационного охрупчивания (НТРО). На степень радиационного охрупчивания сплавов системы Ni-Cr-Mo влияет, по-видимому, как накопление комплексов точечных дефектов, так и фазовая нестабильность этих сплавов. Учитывая склонность сплавов Ni-Cr к упорядочению и эффект возникновения упругих искажений в матрице вокруг зародыша, можно предположить влияние искажений на уменьшение радиационного повреждения сплавов системы Ni-Cr-Mo. Стабильность выделений избыточных фаз при облучении изучена недостаточно. Облучение может как упорядочивать, так и разупорядочивать двухфазные системы в зависимости от условий облучения. С одной стороны, происходит разрушение выделений в каскадах смещений; с другой стороны, под действием термодинамических стимулов и радиационно-стимулированной диффузии разупорядоченные области вновь будут упорядочиваться. Такое подвижное равновесие может сохраняться достаточно долго. В сплаве Ni-42Cr-1Mo после облучения нейтронами до ~32 сна при температуре ~350°С выпадение частиц упорядоченной фазы не было обнаружено. По-видимому, существует перевес процесса растворения в каскадах смещений формирующихся упорядоченных объемов над их зарождением и ростом, которые протекают сравнительно медленно при температуре 350-450°С. Сдвиг равновесия в сторону растворения или выпадения фаз зависит, по-видимому, как от условий облучения (температуры и скорости повреждения), так и от исходного состояния сплава. Сплавы Гейслера – это тройные интерметаллические соединения со стехиометрическим соотношением X2YZ, где X и Y могут быть переходными элементами, а Z – это sp-элемент. Эти сплавы, являются весьма перспективными для применения в современных микро-электромеханических устройствах, так как обладают несколькими типами мартенситных фазовых переходов. Мартенситные и межмартенситные фазовые переходы обуславливают эффект памяти формы в данных сплавах. Кроме того, особая кристаллическая структура данного типа сплавов приводит к появлению ферромагнетизма в сплавах, не содержащих ферромагнитных компонентов. Уникальность этих сплавов состоит также в том, что мартенситный переход может быть осуществлён не только при помощи температурного воздействия, но и в результате приложения внешнего магнитного поля. Рассмотрен эффект дальнодействия, который длительное время служит предметом интенсивной дискуссии при рассмотрении взаимодействия облучения с материалами. Этот эффект заключается в аномально глубоком проникновении фронта радиационных повреждений, существенно превышающем теоретически предсказываемую величину проективного пробега ионов. Этот эффект обуславливает проникновение структуры радиационно-индуцированного кластерного композита на глубину 10-40 мкм. Именно благодаря наличию эффекта дальнодействия имеется возможность изучать кластерное состояние материала методами рентгеновской дифракции, металлографии и измерения микротвёрдости, так как глубина анализируемого этими методами слоя (для рентгеновского излучения CrKα анализируемый слой, в зависимости от угла и в случае металлов, составляет 2-3 мкм, глубина отпечатка индентора при измерении микротвёрдости составляет около 5 мкм) позволяет исследовать полученный радиационно-изменённый слой. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Рабочая программа учебной дисциплины «Технология соединения материалов» Цель изучения дисциплины приобретение студентами знаний технологических процессов формирования преимущественно неразъемных металлических... | | Программа подготовки «Материаловедение, технологии получения и обработки... Структура и содержание программы вступительных испытаний для поступления в магистратуру |
 | © iso 2004 iso 15614-1: 2004EN iso 15614-1: 2004EN iso 15614-1: 2004... Требование и квалификация процедур сварки металлических материалов – Испытание сварочной процедуры – Часть 1: Электродуговая и газовая... | | Приложение авторское тематическое планирование темы 6 «Химия металлических элементов» |
| Энергетический факультет Механический расчет линии электропередачи напряжением 110 кв с увеличенным сечением провода на металлических опорах | | Методические указания по устройству прокладного слоя безбалластного... Методические указания по устройству прокладного слоя безбалластного мостового полотна на железобетонных плитах на металлических пролетных... |
| Общие характеристики автобуса лиаз-5256. 57 (cummins-allison-raba),... Автобус Лиаз-5256. 57 является городским автобусом большой вместимости и предназначен для перевозки пассажиров по дорогам с асфальтовым... | | Программа «Новые технологии проектирования, строительства и эксплуатации... Особенности проектирования водопропускных плит из гофрированных металлических листов |
| Исследование и Разработка устройства контроля наличия посторонних... Межвузовская студенческая научно-практическая конференция «Молодежь, наука, сервис – XXI век» | | Примерная программа дисциплины технология конструкционных материалов... Учебная дисциплина «Технология конструкционных материалов» посвящена изучению методов получения материалов и формирования из них... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Обобщение, систематизация и коррекция знаний, умений и навыков учащихся по теме «Химия металлических элементов» | | Рабочая программа учебной дисциплины «Новые конструкционные материалы» Целью преподавания дисциплины дать представление о новых металлических и неметаллических конструкционных материалах, методах их получения,... |
| Рабочая программа учебной дисциплины «механика материалов и основы конструирования» Курс «Механика материалов и основы конструирования» входит в состав базовой части профессионального цикла дисциплин подготовки бакалавров... | | Инструкция по применению и проектированию безбалластного мостового... «научно-исследовательский институт мостов и дефектоскопии федерального агентства железнодорожного транспорта» |
| Характеристика и свойства конструкционных полимерных материалов Наверно, каждая хозяйка мечтает обставить комнаты красивой, практичной мебелью. Но мало кто знает, при помощи каких материалов она... | | Примерная программа дисциплины Научить основам обработки материалов давлением и резанием; получения неорганических неметаллических материалов |
